Автор: Уильямс Т.
Теги: электротехника кибернетика программирование программное обеспечение переводная литература издательский дом технологии
ISBN: 5-94833-003-6
Год: 2001
Текст
EMC
for Product Designers
Third edition
Tim Williams
Newnes
OXFORD AUCKLAND BOSTON JOHANNESBURG MELBOURNE NEWDELH!
ЭМС для разработчиков
продукции
Т. Уилльямс
Издательский Дом «Технологии»
УДК 621.316.97
ББК 32.811.7
У 36
Уилльямс Т.
У 36 ЭМС для разработчиков продукции/ Т. Уилльямс М.:
Издательский Дом «Технологии», 2003 г. -540 с.
ISBN 5-94833-003-6 (рус.)
Перевод с английского
Карма шев В. С.
Кечиев Л. Н. - д.т.н., профессор
УДК 621.316.97
Книга Т. Уилльямса содержит ключевую информацию, необходимую
для обеспечения соответствия продукции требованиям Директивы ЭМС.
В ней изложены законодательные положения и нормативные требования
по обеспечению электромагнитной совместимости и приведены
эффективные инженерные методы конструирования аппаратуры с учетом
требований ЭМС
Книга предназначена для специалистов промышленных предприятий,
научно-исследовательских opt а низаний и учебных заведений.
Все права защищены. Никакая часть настоящей кнт и не может быть
воспроизведена или передана в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами,
будь то электронные или механические, включая фотокопирование и запись на
магнитный носитель. При нарушении авторских прав применяются меры в
соответствии е нормами Российского законодательства в области авторских прав.
Данное издание «ЭМС для разработчиков продукции» Тима Уилльямса публикуется
но договоренности с Kisevier Science Ltd, The Boulevard, Langford Lane. Kidington,
OX5 1 GB, England
ISBN 5-94833-003-6 (рус.) © Tim Williams 2001
ISBN 0 7506 4930 б (англ.) © Издательский Дом «Технологии♦
Содержание
Предисловие 9
Глава 1
Введение 17
1 1 Что такое ЭМС* 17
1 1 1 Совместимость между системами 24
1 1 2 Границы ЭМС 26
1 1 3 Интервалы совместимости 37
1 2 Директива ЭМС 38
121 Дирекгивы ново/ о подкова 39
1 2 2 Развитие законодательства 44
1 2 3 Область применения требования и исключения 45
{ 2 4 Знак соогвекгвия СЕ и декларация соответствия 5I
1 2 5 Оценка качества при производстве 55
1 2 6 Системы и установки 57
t 2 7 выполнение принуждение «санкции 6t
1 3 Соответствие Директиве ЭМС 66
1 3 1 Сзмосертификация 66
132 Технический файл конструкции 67
13 3 Радиопередатчики и оконечное гелскоммуникащионное оборудование 70
1 34 Испытания и комиегешные органы 71
1 ЗЗОандарш 77
1 4 Действия для достижения соответствия 81
1 5 Именно тогда, когда вы думали, что вы в безопасности 83
1 5 1 Упрощение законодательсгва для внутреннего рынка 84
1 5 2 Вюрое издание 84
Глава 2
Стандарты 87
2 1 Организации, ответственные за подготовку стандартов 87
21 1 Международная электротехническая комиссия 87
2 J 2СЕНЕЛЕКиЕТСИ 94
2 2 Общие стандарты помехоэмиссии 100
22 1 ЕЙ50081 часть 1 1992 100
222ЕН50081 часть 2 1993 101
223EHS5011 1998+А1 1999 101
224ЕН550Н1 *9ЭЗ*А1 199? >А2 *999 102
225ЕН55022 1998 102
2 3 Общие стандарты помехоустойчивости 103
2 3 1 ЕЙ50082часть 1 1997 103
232ЕИ 50082 часть 2 1995 (ЕЙ 61000-6 2 1999) 105
2 4 Основополагающие стандарты — МЭК 61000 106
24 1МЭК 61000-3 107
242МЭК61000-4 109
2 5 Стандарты, распространяющиеся на однородную продукцию . 114
2 5 1 Радиовещательные приемники и свезенное с ними оборудование 116
25 2 бытовые приборы электрические инструменты и аналогичные устройства tt7
253 Световое оборудование 118
254 Оборудование информационных тожнщия ни 120
255 Профессиональная аудио- и видеоаппаратура и световые приборы для зрелищных
мероприятий 120
256 Оборудование для измерения, управления и лабораторного применения 121
257 Системы пожарной, охранной и социальной сигнализации 122
258 Оборудование телекоммуникационных сетей 123
259 Радиооборудование 124
2 5 10 Системы электрического привода с регулируемой скоростью вращения 125
25 11 Медицинские электрические изделия 127
25 12 Стандарты для автотранспортных средств 127
2 5 13 Другие стандарты, распространяющиеся на однородную продукцию 128
2 6 Другие стандарты, не связанные с Директивой ЭМС 130
2 6 1 Правила федеральной комиссии связи 130
2 6 2Другие негармонизироваиныестандарты 132
2 6 3 Стандарты, связанные с измерениями 133
2$ 4 Нормы радиочастотной помехоэмиссии 134
Глава 3
Измерение помехоэмиссии 136
3 1 Эмиссия радиочастотных помех 136
3 1 1 Средства измерений 137
3 12 Преобразователи 150
3 1 3 Установки 165
3 1 4 Методы испытаний 177
3 15 Источники неопределенности 184
3 2 Эмиссия гармонических составляющих потребляемого тока и фликера 197
3 2 10борудование 198
322 Условия испытаний 201
323 Классификация оборудований и нормы 202
324 Фликер 205
Глава 4
Испытания на помехоустойчивость 211
4 1 Устойчивость к радиочастотным помехам 211
4 1 1 Испытательное оборудование 212
4 1 2 Установки 225
4 1 3 Методы испытаний 230
4 14 Устойчивость к радиочастотным кондуктивным помехам 237
4 2 Устойчивость к электростатическим разрядам и переходным
электромагнитным помехам 241
4 2 1 Электростатические разряды 242
422 Наносекундные импульсные помехи 246
423 Микросекундные импульсные помехи большой анергии 249
4 24 Источники изменчивости 253
4 3 Устойчивость к магнитному полю и пониженному качеству электрической
энергии 255
4 3 1 Магнитное поле 255
432 Провалы и прерывания напряжения 258
4 4 Оценка результатов испытаний 261
4 4 1 Критерии качества функционирования 261
Глава 5
Механизмы проникновения помех 265
5 1 Источник и рецептор 265
5 11 Связь через общее сопротивление 266
5 12 Распределенная связь в ближнем поле 271
5 1 3 Связь по сети электропитаний 273
5 1 4 Связь посредством излучений 273
5 1 S Типы паразюной связи 277
ЭМС для разработчиков продукции 7
5 2 Помехоэмиссия 281
521 Эмиссия излучаемых помех 281
522 Эмиссия кондуктивных помех 286
5 3 Помехоустойчивость 289
5 3 1 Излучаемые поля 289
5 3 2 Переходные помехи 295
533 Электростатический разряд 300
534 Низкочастотные магнитные поля 304
535 Помехи в сети электропитания 305
5 4 Гармоники в сети электропитания 307
54 1 Проблема поставщика энергии 307
54 2 Нелинейные нагрузки 308
Глава б
Компоновка и заземление 312
6 1 Компоновка и заземление оборудования 313
6 1 1 Разбиение системы 314
6 12 Заземление 316
6 1 3 Системы заземления 320
6 2 Трассировка печатных плат 325
62 1 Размещение заземления без слоя земли 326
622 Использование слоев заземлений 330
341
346
Глава 7
Проектирование цифровых и аналоговых цепей 347
7 1 Управление помехоэмиссиеи при проектировании 347
7 1 1 ПреобразованиеФурье 347
7 12 Излучение от логических схем 352
7 13 Развязывание цифровых цепей 361
7 14 Аналоговые цепи помехоэмиссия 367
7 2 Проектные решения по повышению помехоустойчивости 378
72 1 Цифровые схемы пути проникновения помех 378
722 Помехоустойчивость логических схем 387
723 Защитная система микропроцессора 390
724 Защитное программирование 395
401
Глава 8
Интерфейсы, фильтрация и экранирование 408
8 1 Кабели и соединители 408
8 11 Пространственное разделение кабелей и возвратные цепи 408
8 12 Экранирование кабеля на низких частотах 410
8 13 Экранирование кабелей на радиочастотах 413
8 1 4 Типы экранов кабелей 414
815 Экранированные кабельные соединители 418
8 16 Неэкранированные кабели 421
8 1 7 Структурированные кабельные системы иТРпротивЭТР 424
8 2 Фильтрация и подавление 426
8 2 1 Структура фильтров 427
8 2 2 Компоненты 431
823 Фильтры источников питания 439
824 Фильтрация по входу/выходу 447
825 Ограничители переходных процессов 449
826 Ограничители а контактных устройствах 453
8 3 Экранирование 456
8 3 1 Теория экранирования для конечною барьера 457
832 Низкочастотное магнитное поле 460
833 Эффект отверстий 461
834 Мнимая ппоскость 469
8 3 5 Конструкция экрана 471
836 Стандартизация эффективности экранирования корпусов 477
Глава 9
Менеджмент в области ЭМС 478
9 1 Управление процессом обеспечения ЭМС 478
9 1 1 Введение мероприятий по обеспечению ЭМС 8 деятельность компании 478
9 1 2 Координатор по вопросам ЭМС 482
9 2 План обеспечения ЭМС 484
9 2 1 Цель подготовки плана обеспечения ЭМС 484
922 Содержание 486
9 3 План испытаний в области ЭМС 487
93 1 Необходимость плана испытаний 487
932 Содержание 488
933 Процедуры испытаний и калибровки 494
934 Критерии качества функционирования при испытаниях на помехоустойчивость 494
9 4 Испытания для обеспечения качества при производстве 496
Приложение А
Контрольный перечень вопросов при проектировании 500
Приложение В
Системы автоматизации проектирования для ЭМС 503
8 1 Обзор 503
8 2 Моделирующие программные накеш 505
8 3 САПР электронных схем 506
Приложение С
Полезные таблицы и формулы 509
С } Децибелы 509
С 2 Антенны 510
СЗПоля 511
С 4 Экранирование 515
С 5 Емкость, индукшвноаь и компоновка печатной платы 516
С 6 Фильтры 521
С7Рядфурье 522
Приложение D
Страны Европейского союза и Европейского экономического пространства 524
D 1 Европейский союз 524
02 Европейское экономическое пространство 524
Глоссарий 526
библиография 528
Предисловие
Во время рождественских праздников 1991 г. миллионы жителей Со-
единенного Королевства смотрели популярную телевизионную
программу, подготовленную Онти Блумерсом. В отобранных из архивов
Би-би-си отрывках разные широко известные лица, работающие на
телевидении, были показаны в неловких, смешных ситуациях. Эти
кадры никогда не включались в окончательные программы. Однако
удовольствие значительной части телезрителей от просмотра этих
передач было испорчено из-за промахов другого рода.
В первой половине 1985 г., перед тем как был введен
соответствующий служебный надзор, Исследовательская радиослужба
Соединенного Королевства получала ежемесячно в среднем 1900
жалоб, относящихся к приему радио- и телевизионных передач.
Около 80% ресурсов Исследовательской радиослужбы было
направлено на решение проблем, связанных с радио- и телевизионным
приемом в жилых районах. Рябь, нарушения синхронизации, снег
на экране, искажения цвета и изображения и в ряде случаев полное
исчезновение изображения являются признаками одного и того же
явления — воздействия электромагнитных помех.
Телезритель испытывает чувство раздражения, когда
изображение мерцает или пропадает в решающие моменты программы. Такое
же чувство раздражения испытывает любитель музыки, обнаружив
после записи на пленку важной для него радиопередачи в диапазоне
ФМ, что тихие пассажи загублены бесцеремонным вторжением
соседской электрической дрели. Еще более критичным является
случай, когда аварийные службы не в состоянии обмениваться
информацией в пределах городского центра, потому что их радиосигналы
подавляются электромагнитным «смогом», излучаемым тысячами
компьютерных терминалов, расположенных в окружающих
зданиях.
Совместное существование радиослужб всех видов,
использующих электромагнитный спектр для передачи информации, а также
технических процессов и устройств, генерирующих
электромагнитную энергию в качестве побочного продукта, создает проблему,
известную как электромагнитная совместимость (ЭМС).
10 Предисловие
Для решения этой проблемы необходим компромисс:
радиослужбы должны допустить определенную степень влияния
электромагнитных помех на процесс приема радиосигналов» ко и
электромагнитные помехи, создаваемые различными источниками, не
должны превышать некоторого уровня, а это в обычных условиях
подразумевает принятие мер по ограничению или подавлению
мешающей электромагнитной энергии. Неотъемлемой частью этого
компромисса является экономический баланс. Меньший уровень
воздействующих помех позволяет использовать радиопередатчики
меньшей мощности. При этом стоимость подавления помех,
создаваемых различными источниками, будет выше. С другой стороны,
применение радиопередатчиков большой мощности, со
свойственным им неэффективным использованием радиочастотного спектра,
приведет к меньшей стоимости мероприятий по подавлению помех.
Этот экономический баланс был проверен за прошедшие
десятилетия при введении различных стандартов, устанавливающих
допустимые уровни электромагнитных помех.
Проблемы ЭМС не ограничиваются созданием помех
радиослужбам. Все большее значение приобретают проблемы, связанные с тем,
что электронная аппаратура всех видов становится более
восприимчивой к внешним электромагнитным помехам. Это явление
становится все более заметным по двум причинам: во-первых, постоянно
увеличивается распространение и взаимодействие электронных
изделий во всех сферах повседневной жизни и, во-вторых, современное
оборудование с микропроцессорами и пластмассовыми корпусами
обладает, как правило, худшей устойчивостью к электромагнитным
помехам. Восприимчивость к помехам сегодня является основной
проблемой электронных устройств многих видов, особенно тех, для
которых обеспечение нормального функционирования является
жизненно важным по причинам, связанным с безопасностью или
экономикой. Системы управления автомобилями или авиацией
являются примерами, относящимися к первой категории, банковское
дело и телекоммуникационные сети — примерами второй
категории.
В настоящее время существует крайняя необходимость принятия
обязательных мер для защиты и обеспечения электромагнитной
совместимости оборудования. В прошлом различными
национальными администрациями были специально приняты меры по введению
ограничений на некоторые электромагнитные свойства
определенных видов изделий. Эти меры часто могут рассматриваться как
методы обеспечения тайного протекционизма, позволяющие, за счет
ЭМС для разработчиков продукции 11
технического несоответствия определенных требований к
изделиям* эффективно применять различные стандарты для
импортируемой и местной продукции.
В результате героических усилий, направленных на признание
необходимости защитных мер в области электромагнитной
совместимости и в то же время на исключение протекционистских
барьеров в торговле между государствами-членами Европейского
сообщества» Европейская комиссия приняла в 1989 г. Директиву
«О согласовании законодательных актов государств-членов,
касающихся электромагнитной совместимости», иначе известную, как
Директива ЭМС. Этот документ детально обсуждается в главе 1
настоящей книги.
Приведенное выше определение «героический» использовано
потому, что полное осуществление требований Директивы ЭМС
представляет собой задачу, без сомнения, достойную Геркулеса. Как
область применения Директивы ЭМС, так и номенклатура явлений,
относящихся к электромагнитной совместимости, на которые
распространяется действие Директивы, определены исчерпывающим
образом, но выражены в общих терминах. Интерпретация этих
терминов требует значительных усилий, так же как и создание
стандартов, выполнение требований которых может
рассматриваться как доказательство соответствия Директиве ЭМС. В качестве
примера необходимо указать, что СЕНЕЛЕК (Европейский орган по
стандартизации электротехнических изделий) получил мандат на
разработку нескольких новых стандартов в течение двух лет, в то
время как нормальный процесс разработки международных
стандартов занимает по меньшей мере пять лет.
Как показала практика, устойчивое последовательное принятие
новых стандартов началось в 1992 г. и продолжалось в последующие
годы. В новые стандарты, без сомнения, будут постоянно вноситься
изменения по мере накопления опыта их применения. Одним из
последствий отсутствия этих стандартов на ранней стадии явилась
корректировка первоначально установленного графика введения
Директивы в действие с тем, чтобы дополнительно предусмотреть
четырехгодичный переходный период, в течение которого
соблюдение требований Директивы являлось предметом выбора.
Задачи, возникшие перед теми изготовителями, которые должны
обеспечить соответствие Директиве ЭМС, являются также поистине
героическими. В сущности, нет ни одного вида продукции, который
отвечал бы требованиям Директивы во всей их полноте. Многие
изготовители бытовых приборов или аппаратуры обработки данных
12 Предисловие
ранее уже выполняли требования, установленные в американских
и немецких стандартах в области помехоэмиссии или
предусмотренные действующим законодательством государств — членов
Европейского сообщества. Для них в этой части, выражаясь словами одного
комментатора, «бизнес ведется как обычно». Однако Директива ЭМС
требует, чтобы равное внимание было уделено вопросам устойчиво»
сти изделий к электромагнитным помехам. Несколько видов
изделий, которые удовлетворяют требованиям стандартов на помехоэ-
миссию, ранее подвергались испытаниям на помехоустойчивость.
Существуют определенные отрасли промышленности, в которых на
контрактной основе ранее проводились подобные испытания,
причем несколько видов изделий подвергались испытаниям на помехо-
эмиссию. Но все эти случаи являются практически уникальными,
так как законодательство в области ограничения помехоэмиссии
стремится защитить «безвредных» пользователей радиочастотного
спектра, в то время как стандарты в области помехоустойчивости
предназначены для защиты владельцев изделий или пользователей
ими. В настоящее время эти две цели редко совместимы при одних
и тех же условиях эксплуатации. Именно Директива ЭМС впервые
свела вместе обязательные требования, относящиеся к ограничению
помехоэмиссии и обеспечению помехоустойчивости.
К концу 1995 г. каждая компания, которая изготавливает или
импортирует электрические или электронные изделия, должна
принять необходимые меры, чтобы указанные изделия соответствовали
требованиям Директивы ЭМС. Это означает, что каждая служба
предприятия должна быть осведомлена о вопросах
электромагнитной совместимости.
Требования ЭМС, бесспорно, влияют на конструирование
изделия. Поэтому в первую очередь группа конструирования и
разработки должна быть осведомлена о вопросах, относящихся к
обеспечению ЭМС. Электромагнитная совместимость зависит от того,
каким образом отдельные изделия соединяются вместе, так что
необходима осведомленность по этим вопросам и производственного
отдела. ЭМС зависит также от способов установки изделия на месте
эксплуатации, поэтому вопросы обеспечения ЭМС оказывают
влияние на работу специалистов, осуществляющих установку,
техническое обслуживание изделий и разрабатывающих документацию для
пользователя.
Поскольку электромагнитная совместимость должна быть
обеспечена для каждого отдельного блока, вопросы ЭМС оказывают
влияние на работу отдела испытаний. От обеспечения ЭМС зависит
ЭМС для разработчиков продукции 13
стратегия маркетинга и ценовая политика» таким образом
указанные вопросы оказывают влияние на работу отделов цен и
маркетинга и в конечном счете на жизнеспособность компании и выполнение
ею своих обязательств. Поэтому старший управленческий персонал
фирмы должен хорошо разбираться в вопросах обеспечения ЭМС.
Существует несколько способов внедрения и «культивирования»
осведомленности в этих вопросах. Хорошим началом этого процесса
было создание многочисленных учебных курсов и ознакомительных
семинаров. Существует возможность пригласить консультантов для
управления каждым аспектом процесса обеспечения соответствия
изделий требованиям ЭМС, но при изготовлении многих изделий
это связано с затратами, является обременительным и может не
обеспечить необходимых результатов в повышении уровня
осведомленности и компетентности персонала той компании, для которой
это действительно необходимо. Существует также возможность
направить на учебные курсы каждого сотрудника компании, для
которого осведомленность в указанных вопросах является необходимой.
Это будет способствовать повышению уровня знаний, касающихся
обеспечения ЭМС, но может не оказаться достаточно эффективным
в долговременной перспективе, так как методы обеспечения ЭМС
нуждаются в практическом применении, чтобы быть
соответствующим образом понятыми. Указанный путь также будет связан с
затратами, но некоторые из больших производственных компаний,
создающих собственные внутренние учебные программы, способны
ему следовать.
Хороший компромисс — назначение одного сотрудника или, если
позволяют ресурсы, группы сотрудников для выполнения функций
центра знаний и опыта компании в области ЭМС. На указанного
сотрудника (группу сотрудников) следует возложить ответственность
за обеспечение выполнения требований Директивы ЭМС и любых
других технических требований, относящихся к электромагнитной
совместимости, выполнение которых компанией может быть
необходимым. В долгосрочной перспективе выполнение сотрудниками
центра ЭМС компании обязанностей, связанных с повышением в
каждом действующем подразделении уровня знаний, относящихся
к электромагнитной совместимости, может оказаться излишним,
учитывая, что решение вопросов обеспечения ЭМС становится, по
мере развития, естественной частью функционирования каждого
подразделения. Тем не менее необходимо, даже если для этого
потребуются годы непрерывного контроля и обучения, выполнение
указанных ниже задач:
14 Предисловие
* проверка соблюдения принципов ЭМС при создании каждого
нового изделия на всех стадиях его разработки и создания
прототипа и консультирование» при необходимости, по вопросам
изменения конструкции с целью обеспечения ЭМС;
* составление и контроль выполнения плана обеспечения ЭМС и
плана испытаний в области ЭМС для каждого изделия;
* надзор за проведением предварительных испытаний и
испытаний на соответствие как в условиях компании, так и при
взаимодействии с внешними испытательными лабораториями;
* поддержание высокого уровня знаний стандартов ЭМС и
законодательных актов, применяемых для изделий компании;
* поддержание связи с отделами разработки, производства,
испытаний, установки и технического обслуживания, продаж и
ценовой политики с целью обеспечения соответствия их
стратегии требованиям ЭМС.
Перечень задач, вероятно, может быть более детализирован, но
и приведенный выше служит подтверждением того, насколько
широка область деятельности инженера, отвечающего за обеспечение
ЭМС. Область его деятельности сравнима с областью деятельности
отдела качества, и, действительно, он может быть включен в состав
этого отдела.
Предисловие к третьему изданию
Второе издание этой книги было опубликовано в 1996 г.
Настоящее, третье, издание выходит спустя пять лет. За эти годы
Директива ЭМС полностью введена в действие и подавляющее большинство
производственных компаний близко ознакомились с ее
положениями. Однако сообщество ЭМС еще не изучило новые стандарты на
продукцию и новые методы ее испытаний. Вместе с тем оно узнало
многое о том, как улучшить ранее проводимые испытания. Хотя
законы Максвелла не изменились, появилось большее понимание
того, как применить их наилучшим образом для обеспечения
совместимости отдельных изделий.
Научно-технический прогресс ускоряется. Продолжается
уменьшение размеров изделий, повышение плотности компоновки их
элементов и сокращение размеров межсоединений. Учитывая это,
здесь вы найдете немало нового материала, даже если вы знакомы
со вторым изданием.
ЭМС для разработчиков продукции 15
Настоящая книга предназначена для оказания помощи в работе
центра ЭМС компании. Мне представляется» что она служит этой
цели. Я был приятно удивлен тем, насколько широко она была
рекомендована. Книга может служить справочником для инженера,
отвечающего за вопросы ЭМС, применяться в качестве основных
материалов для конструкторов и технических специалистов,
незнакомых с предметом, или являться частью документации используемой
группой разработки, начинающей работу над новым проектом.
Книга разделена на две части. В первой части (главы 1 — 4)
обсуждаются европейская законодательная система обеспечения
ЭМС, введенная в настоящее время, и методы испытаний,
используемые для подтверждения соответствия требованиям этой системы.
Первые две главы в основном не имеют технического характера. В
главе 1 вводится понятие ухудшения качества функционирования
изделия при воздействии электромагнитных помех, обсуждаются
положения Директивы ЭМС и способы достижения соответствия
ее требованиям. В главе 2 изложены сведения об организациях,
разрабатывающих стандарты, и приведены описания различных
гармонизированных стандартов, действующих в настоящее время,
обеспечивающих соответствие Директиве. В главе 3 приведены
сведения о методах испытаний на эмиссию радиочастотных помех и
гармонических составляющих тока. Эти испытания установлены в
стандартах ЭМС, и их следует проводить как в самой компании, так
и во внешних испытательных лабораториях. В главе 4 описываются
испытания на устойчивость к радиочастотным помехам,
электростатическим разрядам и переходным электромагнитным помехам,
а также к низкочастотным магнитным полям, провалам и
прерываниям напряжения в сети электропитания.
Во второй части книги обсуждаются методы достижения
приемлемых характеристик ЭМС при минимальных дополнительных
затратах на стадии конструирования. При сложившейся практике
необходимые характеристики ЭМС могут быть получены при
использовании экранирования и добавлении помехоподавляющих
компонентов в существующую конструкцию. Этот неразумный
силовой метод является дорогостоящим, неэффективным и связан
со значительными затратами времени. Гораздо более эффективным
методом является применение соответствующих принципов с
самого начала конструирования изделия. Разработку необходимо
производить таким образом, чтобы при первой же настройке изделие
имело высокую вероятность обеспечения соответствия, а если это не
16 Предисловие
выполняется» то введение необходимых изменений осуществлялось
бы достаточно просто.
В главе 5 изложены основные положения, относящиеся к
передаче электромагнитных помех от источника к рецептору. В главе
б рассматриваются методы, которые могут быть применены перед
выбором более традиционных методов экранирования и помехопо-
давления, относящиеся к расположению элементов оборудования и
печатных плат и заземлению. 6 главе 7 обсуждаются правила
определения конфигурации схем, выбора компонентов и особенности
программного обеспечения. В главе 8 приведены сведения о
«специальных» методах обеспечения ЭМС, связанных с
конфигурированием кабелей и соединителей, использованием методов и технических
средств фильтрации и экранирования. В главе 9 обсуждаются
принципы менеджмента и контроля в области ЭМС. В заключение
приведен ряд приложений, в которых объединена детализированная
справочная информация.
Большая часть этой книги возникла из курсовых записей,
которые были приготовлены для семинаров по конструированию и
испытаниям в области ЭМС. Я благодарен тем конструкторам, которые
присутствовали на этих семинарах и побудили меня продолжать
улучшать и шлифовать эти материалы.
Среди тех, кто способствовал созданию этой книги, мне
особенно приятно отметить работы проф. Э. Марвина, докт. Дж. Доусона
и их коллег, а также докт. Дж. Годблода и проф. ГГ. Ван дер Лаана
из Йоркского университета. У меня было длительное и
плодотворное сотрудничество с фирмой Шаффнер Чейз ЭМС и я признателен,
прежде всего, Д. Релею, Дж. Дингу, Р. Хьюзу и Н. Смиту. Я должен
также отметить А. Маклеода, издателя журнала «Approval», и
особенно моих постоянных консультантов Д. Имесона, К. Армстронга и
ГГ. Картера. Как всегда, автор несет ответственность за содержание
этой книги, которую, как я надеюсь, вы найдете для себя полезной.
Тим Уилльямс
Глава 1
Введение
1.1 Что такое ЭМС?
Электромагнитные помехи (ЭМП) представляют собой опасную
форму загрязнения окружающей среды. Уровень этого
загрязнения возрастает. Воздействия ЭМП могут иметь широкий диапазон
последствий: от чувства некоторой досады, возникающего у
радиослушателя из-за треска при приеме радиовещательной передачи, до
несчастных случаев с потенциально смертельным исходом»
обусловленных нарушениями работы систем контроля, критических для
безопасности. ЭМП различных видов могут вызывать нарушения
функционирования электрических и электронных систем,
затруднять использование радиочастотного спектра, приводить кч
возгоранию легковоспламеняющихся газообразных сред и, в некоторых
случаях, непосредственно воздействовать на ткани человеческого
тела. Учитывая, что электронные системы все шире применяются во
всех сферах человеческой деятельности, возможности воздействия
электромагнитных помех, а также и опасность серьезных
происшествий, вызванных воздействием ЭМП, будут возрастать.
Ниже приведены некоторые зарегистрированные примеры
электромагнитной несовместимости:
* автомобили определенной модели останавливались на участке
автострады в Германии напротив радиовещательного
передатчика большой мощности. В конце концов эту часть автострады
пришлось экранировать проволочной сеткой;
• в автомобиле другой модели пользование радиопередатчиком,
установленным в автомобиле, вызывало действие
центрального дверного замка и противосолнечного экрана с
электрическим приводом;
• работа новых электронных кнопочных телефонов,
установленных вблизи средневолнового радиопередатчика в Северном
Лондоне, постоянно нарушалась под воздействием
радиопрограмм Би-би-си;
* управления дорожной полиции США выражали недовольство
в связи с тем, что электронные игровые автоматы с механизмом
18 Введение
опускания монет нарушали работу систем связи полиции на
автострадах;
• в одном из аэропортов США было выявлено» что источником
помех авиационной связи, обеспечивающей безопасность
полетов, являлась электронная контрольно-кассовая машина,
расположенная в миле от аэропорта;
• на приборной панели одного из известных авиалайнеров, как
сообщалось, имелось предупреждение «Игнорируй показания
всех приборов, когда работает высокочастотный передатчик»;
• в торговых терминалах с электронными устройствами,
применяемых в магазинах обуви, верхней одежды и оптических
товаров (для которых общим признаком было наличие
плотных ковровых покрытий и использование обслуживающим
персоналом одежды из синтетических материалов) отмечались
запирания и неконтролируемые открывания выдвижных
ящиков, а также регистрация ложных сведений;
• когда пьезоэлектрический прикуриватель сигарет приводился
в действие вблизи от устройства контроля въезда автомобилей
в автопарк, возникавший при этом излученный
электромагнитный импульс вызывал открытие заграждающего барьера и
водители получали возможность парковаться бесплатно;
• опускание пантографов электровозов на станции Ливерпуль-
стрит Британских железных дорог воздействовало на
установленное поблизости оборудование железнодорожной
сигнализации и управления, вызывая появление сигналов «возможная
опасность» и появление на светофорах красного света;
• возможно, наиболее трагический эпизод был связан с судьбой
корабля «Шеффилд» в войне за Фолклендские острова, когда
корабельный радиолокатор обнаружения ракет, который мог
бы выявить запуск самолетом ракеты «Экзоеет», потопившей
корабль, был отвернут в сторону из-за помех, создаваемых
корабельной спутниковой системой связи.
Подвижные радиотелефоны сотовых систем связи быстро
завоевали признание, хотя их распространение явно представляет собой
серьезную угрозу в области ЭМС. Пассажиры авиалайнеров
гражданской авиации в настоящее время хорошо знакомы с
объявлениями о том, что на борту не разрешается использовать устройства
такого рода.
Однако они меньше знакомы с тем, почему это считается
необходимым. В ежеквартальном обзоре Международной авиационной
ЭМС для разработчиков продукции 19
федерации (IFALPA) было сообщено о 97 событиях, связанных с
воздействием ЭМП, произошедших после 1983 г. и вызванных
продолжающимся применением пассажирами электронных устройств
на борту самолета» Процитируем указанный обзор.
После 1990 г. существенно возросло число людей» летающих
самолетами и имеющих при себе различные электронные устройства,
и одновременно компоненты авиационной цифровой электроники,
работающие при малых напряжениях, стали потенциально более
восприимчивыми к ЭМП.
Анализ данных за последние десять лет показывает, что создание
ЭМП на борту наиболее вероятно во время полета на крейсерской
скорости. Однако этот вывод может подтолкнуть к неправильным
действиям, так как в течение последних трех лет 43%
зафиксированных случаев воздействия электромагнитных помех произошли
при полете на крейсерской скорости и почти равный процент
событий имел место в периоды набора высоты и снижения.
Особо необходимо отметить, что в течение последних трех лет
число событий, относящихся к воздействию электромагнитных
помех, связанных с применением на борту компьютеров,
проигрывателей компакт-дисков и сотовых телефонов, драматически
возросло, и было подтверждено, что именно эти устройства являются
источниками воздействия помех на системы, управляющие полетом
самолета.
Во многих случаях распознавание прибора или автопилота,
функционирование которого нарушено из-за воздействия ЭМП,
может быть трудным или невозможным. В некоторых
зарегистрированных случаях направление полета самолета изменялось, но
приборы в кабине пилотов показывали, что самолет находится на
правильном курсе. Диспетчеры пунктов контроля воздушного
движения вынуждены были обращать внимание экипажа на то, что
направление полета изменилось. Можно предполагать, что на борту
самолетов имели место и другие события, связанные с
электромагнитными помехами, но связь этих событий именно с воздействием
ЭМП не была обнаружена, и поэтому указанные события не были
зафиксированы.
Особого внимания заслуживают следующие моменты,
отмеченные в обзоре:
• число событий возрастает;
• события происходят при всех фазах полета (не только при
полете на крейсерской скорости);
20 введение
• ЭМП могут создавать многие устройства (сотовые телефоны,
компьютеры, проигрыватели компакт-дисков, видеокамеры,
стереоаппаратура);
• на борту может быть несколько устройств, создающих
помехи;
• пассажиры применяют указанные устройства даже после того,
как их предупредили о необходимости выключить их*;
• пассажиры будут скрывать применение некоторых устройств
(сотовых телефонов, компьютеров);
• пассажиры могут включать устройства сразу после взлета и
непосредственно перед посадкой;
• критической проблемой являются сотовые радиотелефоны;
• сведения о типах и местонахождении определенных устройств
должны быть зафиксированы и сообщены экипажу;
• когда создание ЭМП устройствами на борту самолета
прекращается, системы самолета возвращаются к нормальному
функционированию (в случае ошибок в определении
местоположения может быть необходимым изменение направления
полета);
• экипаж должен быть проинструктирован о том, как
обнаружить возможные ЭМП, создаваемые устройствами,
применяемыми пассажирами на борту.
В 2000 г. ведомство гражданской авиации осуществило
испытания на борту двух авиалайнеров, приписанных к аэропорту
Гатвик, что послужило еще одним основанием для запрещения
использования сотовых радиотелефонов при включенном двигателе
[57]. В ходе испытаний было выявлено, что уровень
электромагнитных помех изменяется при относительно малых изменениях
местоположения сотовых радиотелефонов и что число пассажиров,
находящихся на борту, может оказывать влияние на этот уровень,
так как пассажиры поглощают часть энергии сигнала.
Другой критической сферой, в которой инциденты, связанные
с электромагнитными помехами, могут потенциально представлять
* Особенно если они считают, что обеспечение персональной связи является более
важным, чем выполнение требований экипажа В [57] указывается, ч то авиалайнер,
на борту коюрого находился министр иностранных дел Германии, был вынужден
произвести срочную посадку «после юго. как важнейшее оборудование кабины
пилотов перестало функционировать» Утверждается, что единственной причиной
этого могли быть передачи сотовых радиотелефонов, и сообщаемся, что.
«несмотря на повторяющиеся требования экипажа, все еще имелись несколько
журналистов и работников ведомства иностранных дел которые использовали свои
соювно рйдиоюпофоны •
ЭМС для разработчиков продукции 21
опасность для жизни, является ЭМС электронных медицинских из-
делий. В 1995 г. в обзорной статье [116] были приведены детальные
сведения о трех инцидентах и перечислены более чем 100
критических случаев, связанных с электромагнитными помехами, о
которых было сообщено Администрации продовольственных товаров и
лекарственных средств США в период между 1979 и 1993 гг.
В целом указанная обзорная статья устанавливает» что
результатами нарушений функционирования электронных медицинских
изделий, связанных с воздействием ЭМТТ, являются смертельные
случаи, причинение серьезного вреда здоровью и назначения
неподходящих и, возможно, опасных для жизни лечебных процедур.
Детально были изучены следующие инциденты:
• Мониторы легочной деятельности. Важнейшей функцией
мониторов легочной деятельности является подача сигнала
тревоги, когда дыхание больного прекращается. Эти устройства,
применяются в госпиталях и часто рассматриваются как
необходимые для использования в домашних условиях в случаях,
когда у детей либо проявляются задержки дыхания, либо
существует риск появления таких задержек.
• Учитывая, что имелись многочисленные сведения о
необъяснимых отказах части мониторов легочной деятельности в подаче
сигнала тревоги даже в случае смертельного исхода, в ЦМУ*
была произведена оценка их восприимчивости к излученному
радиочастотному полю. Было обнаружено, что большинство
имеющихся в продаже мониторов легочной деятельности
неправильно выполняли свои функции по обнаружению
дыхания, когда они подвергались воздействию электромагнитного
поля с относительно малой напряженностью; при этом
возникала ситуация, результатом которой могло быть отсутствие
сигнала тревоги при прекращении дыхания. Большинство
мониторов, как было выявлено, оказались восприимчивыми к
воздействию электромагнитного поля напряженностью 1 В/м,
одна из проверенных моделей оказалась восприимчивой к
импульсному полю напряженностью, превышающей 0,05 В/м.
• Мониторы анестезирующего газа. В ЦМУ были получены
несколько докладов о появлении ошибок и прекращении
функционирования мониторов анестезирующего газа при
проведении хирургических операций. Ни в одном из указанных
докладов в качестве возможной причины этих явлений ЭМС не
* Центр медицинских у< tpnttciB и радиологической безопасности США
22 Введение
упоминались. Сотрудники обнаружили, что изготовитель
мониторов анестезирующего газа имел список мест, включающий
13 адресов, из которых поступили жалобы на нарушения
функционирования мониторов, и что собственные исследования
изготовителя показывают, что помехи от электрохирургических
инструментов определенного типа нарушают работу линии
связи между монитором и центральным масс-спектрографом, в
результате чего монитор показывает ошибочные данные о
концентрации анестезирующего газа в операционной комнате при
проведении хирургической операции.
♦ Кресла-коляски с электрическим приводом. Менеджер по
качеству большой компании, производящей кресла-коляски,
получил сведения о том, что кресла-коляски с электрическим
приводом самопроизвольно выезжают за край тротуара и
сталкиваются со стенами, когда поблизости находятся
полицейские и пожарные машины, патрульные катера охраны
гавани или работают радиостанции гражданского диапазона или
радиолюбителей. Хотя в базе данных ЦМУ имелись сведения
о непреднамеренных движениях кресел-колясок с
электрическим приводом, что в нескольких случаях привело к серьезным
последствиям, ЭМП не были названы в качестве причины ни
одного из этих инцидентов. Когда в ЦМУ были проведены
исследования восприимчивости к ЭМП контроллеров,
управляющих движением различных моделей кресел-колясок и
скутеров, было обнаружено, что их уровень восприимчивости
изменяется & пределах 5—15 В/м. При меньшем значении
напряженности поля перестают действовать электрические
тормоза, что может приводить к движению, если кресло-коляска
находилось на наклонной поверхности в заторможенном
состоянии, если же напряженность поля на частотах
восприимчивости возрастала, коляска самопроизвольно начинала двигаться,
причем скорость движения зависела от напряженности поля.
Все рассмотренные выше инциденты являются примерами
отсутствия у изделий «пригодности к использованию по назначению», т.е.
пригодности к правильному и безопасному выполнению функций в
той окружающей среде, включая электромагнитную обстановку,
для использования в которой они предназначены. Описания всех
инцидентов свидетельствуют о прямой связи недостаточной
устойчивости к ЭМП с вопросами безопасности. События, связанные с
воздействием ЭМП, имеют место не только в США, о чем
свидетельствуют приведенные ниже материалы.
ЭМС для разработчиков продукции 23
Департамент здравоохранения Соединенного Королевства издал
правила, запрещающие использование бесшнуровых, сотовых и
подвижных радиотелефонов в определенных местах в госпиталях,
потому что их электромагнитные поля могут воздействовать на
медицинское оборудование, включая системы жизнеобеспечения.
Департамент здравоохранения был вынужден издать
дополнительные правила, содержащие описания нескольких
зафиксированных случаев, когда медицинское оборудование начинало
функционировать после его выключения или его работа прекращалась
из-за помех от сотовых радиотелефонов.
Electronic Weekly, 8 февраля 1995 г.
Проблема воздействия помех на слуховые аппараты известна уже
некоторое время. Цифровые подвижные радиотелефоны используют
форму радиопередачи, называемую TDMA (множественный доступ
с временным разделением), при которой радиочастотная несущая
с большой скоростью включается и выключается. Если слуховой
аппарат используется вблизи от цифрового подвижного
радиотелефона, указанная коммутация его радиочастотной несущей может
восприниматься электрической схемой цифрового радиотелефона.
Если помехи присутствуют, то результат их воздействия
представляет собой гудение, уровень которого изменяется от очень слабого до
максимального уровня громкости слухового аппарата. С помощью
специального оборудования было определено, что, хотя цифровые
подвижные радиотелефоны рассматривались в качестве вероятного
источника подобных помех, любые радиосистемы, использующие
TDMA или аналогичные виды радиопередачи, способны вызвать
некоторые помехи.
BSI News, декабрь 1993
Вероятно, наименее критичной проблемой ЭМС, с которой
когда-либо сталкивался автор, явился инцидент с крякающей уткой
— игрушкой для детей младшего возраста, которая представляла
собой пушистую утку с синтезатором речи, запрограммированным
таким образом, что утка могла крякать различные детские стишки.
Утка начинала крякать, когда надавливали на определенные места
(скрытые сенсоры), и не должна была издавать звуков в ином случае.
Пока утка находилась в рождественской упаковке в доме автора, в
котором отсутствовали источники ЭМП, она не издавала никаких
звуков. Но когда ее принесли в дом нашей дочери и оставили на
кухне на холодильнике, рядом с микроволновой печью, она сама по себе
24 Введение
закрякала, причем рядом с ней никого не было. Возникло некоторое
замешательство, прежде чем членов семьи удалось окончательно
убедить, что это не что иное, как пример плохой электромагнитной
совместимости, и что они не должны начинать сомневаться в своем
здравомыслии.
1.1.1 Совместимость между системами
Угроза ЭМП контролируется путем принятия определенных
правил обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС). Этот
термин определен в [146], как «способность устройства, элемента
оборудования или системы функционировать удовлетворительно в
их электромагнитной обстановке, не создавая недопустимых
электромагнитных помех чему-либо в этой обстановке».
Термин «электромагнитная совместимость» имеет два
взаимодополняющих друг друга аспекта:
♦ он характеризует способность электрических и электронных
систем функционировать совместно с другими системами без
помех;
♦ он также характеризует способность таких систем
функционировать в соответствии с назначением в определенной
электромагнитной обстановке.
Таким образом, существует тесная связь между ЭМС и
окружающей средой, в которой система функционирует. Эффективная
электромагнитная совместимость требует, чтобы система была
разработана, изготовлена и испытана с учетом той электромагнитной
обстановки, которая заранее определена для работы системы, т.е. с
учетом совокупности электромагнитных явлений, существующих в
месте ее размещения. Хотя термин «электромагнитный» наводит на
мысль о том, что особое значение придается явлениям, связанным с
высокочастотными полями, на практике определение термина ЭМС
охватывает все частоты и способы воздействия помех, от
постоянного тока и частот переменного тока в электрических сетях до высоких
частот и микроволн.
1.1.1.1 Системы, применяемые в составе установки
Существует два подхода к обеспечению ЭМС. В первом случае
применяемый подход диктуется самой природой установки.
Обеспечение ЭМС является особенно проблематичным в том случае, когда
несколько электрических или электронных систем смонтированы
вместе в виде достаточно компактной установки, например, такой,
какие существуют на борту самолета, корабля, спутника или дру-
ЭМС для разработчиков продукции 25
гих движущихся средств. В этом случае восприимчивые системы
могут быть размещены весьма близко к мощным эмиттерам
электромагнитной энергии и для поддержания совместимости необходимы
специальные предупредительные меры. Чтобы в этом случае
обеспечить ЭМС в соответствия с критерием «стоимость-эффективность»,
необходимо иметь детальные сведения, с одной стороны, о местах
расположения элементов установки, а с другой стороны, о
характеристиках эмиттеров и потенциальных рецепторов помех. Для
решения указанных задач разработаны военные, аэрокосмические
стандарты ЭМС и стандарты для других подвижных средств,
которые широко применяются в соответствующих отраслях
промышленности.
Так как настоящая книга относится к конструированию
изделий, удовлетворяющих требованиям Директивы ЭМС, мы не
уделяем сколько-нибудь значительного внимания рассмотрению
указанных «внутрисистемных» аспектов электромагнитной
совместимости. Этот вопрос имеет длительную историю и
рассматривается в ряде учебников.
1.1.1.2 Оборудование, применяемое отдельно
Второй подход к обеспечению ЭМС основан на предположении,
что системы будут функционировать в окружающей среде, которая
в электромагнитном отношении является «мягкой» и
характеризуется определенными нормами, и что близость оборудования к
другому чувствительному оборудованию также будет ограничена
определенными пределами. Так, например, персональный
компьютер не будет функционировать большую часть времени вблизи
передатчика радиолокационной станции большой мощности и не
будет после этого размещен рядом с антенной подвижного
радиотелефона. Это позволяет выработать достаточно большой комплект
норм, относящихся как к допустимой эмиссии помех от устройств,
так и к уровням помех, применительно к которым было бы разумно
ожидать, что устройства должны продолжать функционировать при
их воздействии. Эти нормы непосредственно связаны с
характеристиками окружающей среды, которая может относиться к классу
бытовой, коммерческой, промышленной и т.д., для использования в
условиях которой устройства разработаны, изготовлены и
размещены на рынке. Указанные нормы и методы, с использованием
которых доказывается соответствие нормам, образуют основу комплекса
стандартов (часть из которых распространяется на эмиссию помех,
26 Введение
а часть на устойчивость к помехам), применяемых для обеспечения
ЭМС любого конкретного изделия, применяемого отдельно.
Заметим, что соответствие требованиям таких стандартов не
гарантирует электромагнитной совместимости при всех условиях.
При этом скорее обеспечивается определенная вероятность (можно
надеяться, достаточно высокая), что оборудование не будет
создавать помех и не будет восприимчивым к ним, когда функционирует
при типичных условиях. Неизбежно будут возможны некоторые
особые обстоятельства, при которых надлежащая
электромагнитная совместимость не будет достигнута, например, при
функционировании компьютера в поле ближней зоны мощного
радиопередатчика, и в этих случаях должны быть приняты дополнительные
меры защиты.
1.1.2 Границы ЭМС
Ниже обсуждаются принципиальные вопросы, возникающие в
связи с обеспечением электромагнитной совместимости. Всплеск
интереса к ЭМС особенно стимулировало использование
микропроцессоров. Эти устройства в значительной степени ответственны
за создание радиочастотных помех и сами одновременно являются
восприимчивыми к помехам многих видов. В то же время широко
распространенная замена металлических шасси и корпусов
конструкциями, отлитыми из пластмасс, сильно уменьшила степень
защищенности электрических схем, обеспечиваемой их корпусами,
1.1.2.1 Нарушения функционирования систем
Системы управления с использованием твердотельных
элементов, и особенно основанные на применении процессоров, стали
выполнять многие функции, которые ранее возлагались на
электромеханические или аналоговые устройства, такие как элементы
релейной логики или пропорциональные контроллеры. В отличие
от устройств с жесткими программами, применявшихся ранее для
выполнения конкретных задач, программируемые электронные
системы основаны на использовании цифровых систем, соединенных с
обшей шиной, в которой в соответствии с программным
обеспечением одновременно обрабатывается множество сигналов. Такая
структура не только более восприимчива к электромагнитным помехам,
потому что для изменения состояния элемента необходим низкий
уровень энергии, но и результат воздействия помехи невозможно
предсказать, так как случайный импульс может или нарушить, или
не нарушить функционирование системы в зависимости от его вре-
ЭМС для разработчиков продукции 27
менного положения по отношению к состоянию внешнего тактового
генератора, передаваемых данных и состояния исполняемой
программы. Длительная помеха может не оказывать влияния на
работу схемы до тех пор, пока ее уровень ниже, чем пороговый уровень
логических устройств» но когда помеха увеличивается, дальнейшее
функционирование процессора будет полностью нарушено.
Возрастание функциональной сложности приводит к тому» что становятся
возможными отказы системы в целом и неожиданные аварийные
режимы работы.
Очевидно, что последствия воздействия помехи на систему
управления будут зависеть от характеристик контролируемого процесса.
В некоторых случаях нарушение процесса управления может
вызвать не более чем досаду, в других же случаях может привести к
экономическому ущербу или даже к опасности для жизни. Объем
усилий, прикладываемых для обеспечения совместимости, будет
зависеть от ожидаемых последствий нарушения функционирования
системы.
Электромагнитные помехи
К электромагнитным явлениям, которые, как ожидается, могут
оказать воздействие на системы управления, относятся:
• прерывания, провалы, выбросы и колебания напряжения
электропитания;
• переходные (импульсные) напряжения в линиях
электропитания, сигнальных линиях и линиях управления;
• радиочастотные электромагнитные поля, как импульсного ха-
рактера (создаваемые радиолокационными станциями), так и
непрерывные, воздействующие непосредственно на
оборудование или на присоединенные кабели;
• электростатические разряды (ЭСР), создаваемые заряженными
объектами или людьми;
• низкочастотные электрические или магнитные поля.
Заметим, что нами не затрагивается явление
непосредственного повреждения компонентов в результате ЭСР, которое в основном
представляет собой проблему при производстве электронных
компонентов. Если компоненты собраны в блок, они защищены от таких
повреждений, если только его конструкция не является откровенно
слабой. Но переходные процессы, вызванные ЭСР, могут нарушить
функционирование микропроцессора или схем генерирования
сигналов тактовой частоты» таким же образом, как и переходные
28 Введение
процессы, действующие в портах электропитания или сигнальных
портах, причем без повреждения любых компонентов (хотя это тоже
может иметь место). Именно поэтому ЭСР, по существу,
представляет собой электромагнитное явление, относящееся к сфере
электромагнитной совместимости.
Программное обеспечение
Нарушения функционирования систем, вызванные плохим
программным обеспечением, часто могут быть ошибочно приняты за
нарушения их функционирования в результате воздействия ЭМП.
Особенно это касается систем, работающих в реальном масштабе
времени, для которых нарушения функционирования могут произойти
при совладении переходных процессов, вызванных внешними
условиями, с критическими состояниями исполняемой программы. Эти
нарушения функционирования трудно или невозможно разделить,
и указанный недостаток программного обеспечения может быть не
выявлен при испытаниях, проведенных в ходе разработки системы,
и оставаться годами в скрытом состоянии в действующем
оборудовании. Соответствующие симптомы — аварийное состояние системы,
неправильное функционирование или потеря данных — могут быть
идентифицированы как явления, вызванные воздействием ЭМП.
Фактически разделить последствия плохого программного
обеспечения и недостаточной электромагнитной совместимости возможно
лишь путем анализа характеристик электромагнитной обстановки,
в условиях которой применяется система.
/1.2.2 Помехи радиоприему
Добросовестные пользователи радиочастотным спектром вправе
ожидать, что пользование им не будет подвержено воздействию
работающего оборудования, в отношении которого они не могут
предпринять каких-либо действий. Напряжение принимаемого
полезного сигнала на входе радиоприемника изменяется в типичном
случае от менее чем одного микровольта до более чем одного
милливольта. Бели мешающий сигнал присутствует в том же канале,
что и полезный сигнал, то полезный сигнал будет уничтожен, если
мешающий сигнал имеет примерно равный или больший уровень.
Приемлемый уровень помехи, присутствующей в одном канале с
сигналом («защитное отношение»), определяется содержанием
программы передач и природой помехи. Непрерывная помеха,
воздействующая при передаче высококачественного радиовещательного
сигнала, будет неприемлемой даже при очень низких уровнях, в то
ЭМС для разработчиков продукции 29
время как канал связи, в котором передается компрессированный
речевой сигнал, может функционировать даже при относительно
высоких уровнях импульсных или переходных помех. Цифровые
системы связи конструируются таким образом, чтобы обеспечить
еще большую помехоустойчивость, но это на самом деле означает,
что, когда уровень помех достигает неприемлемого значения,
нарушение работы линии связи происходит не постепенно, а резко и
катастрофично.
Уровень напряженности поля
Напряженность поля излучаемых помех, как преднамеренных,
так и непреднамеренных, уменьшается с расстоянием от
источника. Для излученных электромагнитных полей в свободном
пространстве уменьшение обратно пропорционально расстоянию при
условии, что измерения проводятся в дальней зоне поля (см. раздел
5.1.4.2 в части дискуссии о ближней и дальней зоне поля). Влияние
нерегулярностей земной поверхности и отражений от местных
предметов приводит к более быстрому уменьшению напряженности поля
вследствие экранирования, абсорбции, отражений, расхождения
лучей и расфокусирования диффрагирующих волн. В приложении
D к стандарту ЕН 55011 [136] указывается, что для расстояний dy
больших чем 30 м в полосе частот от 30 до 300 МГц, медианное
значение напряженности поля изменяется как \/dn, где коэффициент л
изменяется от 1,3 для открытых сельских зон до 2.8 для городских
зон с плотной застройкой. Для приближенных оценок среднее
значение коэффициента п может быть принято равным 2.2, при этом
увеличение расстояния в 10 раз приводит к ослаблению напряженности
поля мешающего сигнала на 44 дБ.
Нормы для непреднамеренно создаваемых помех основываются
на приемлемых значениях напряженности поля помех в месте
расположения радиоприемника при номинальном расстоянии между
радиоприемником и источником помех, т.е. на минимальных
значениях напряженности поля полезного сигнала, приемлемых для
конкретной службы радиосвязи, скорректированных с учетом
защитного отношения. Защита радиоприема при этих условиях не будет
обеспечена при очень слабом полезном сигнале, а также в условиях
непосредственной близости источника помех, но указанный подход
будет охватывать большинство случаев создания помех
радиоприему и поэтому принят во всех опубликованных стандартах СИСПР,
устанавливающих нормы эмиссии помех, распространяющихся на
коммерческое оборудование (см. главу 2). Публикация СИСПР 23
30 Введение
[153] содержит сведения о том, как определяются указанные
нормы» включая статистические расчеты вероятности возникновения
помех.
На частотах ниже 30 МГц доминирующим методом связи
электромагнитного поля помех с подавляемым оборудованием является
воздействие на подключенные кабели, и поэтому нормы
напряженности поля помех переведены в эквивалентные нормы напряжения
и тока, которые при их наведении в кабелях создают аналогичный
уровень опасности радиоприему в диапазонах средних и коротких
волн.
Нарушение функционирования и защита радиочастотного
спектра
С учетом приведенного выше обсуждения вопросов, касающихся
помех радиоприему, должно быть ясно, что нормы эмиссии
радиочастотных помех не устанавливаются в целях защиты от нарушений
функционирования оборудования, не относящегося к радиоприемным
устройствам. Как было указано в предыдущем разделе, для нарушения
функционирования систем требуются просто высокие уровни энергии,
магнитного поля помех была в пределах 1—10 вольт на метр. Для
защиты радиочастотного спектра при осуществлении радиоприема
необходимы существенно меньшие уровни, порядка 1—100 микровольт на
метр, т.е. уменьшенные в десятки и сотни тысяч раз. Радиочастотная
несовместимость между двумя образцами изделий, каждый из которых
не использует преднамеренно радиочастотный спектр, крайне редка.
При обычных условиях устойчивость оборудования к помехам, как
правило, необходима для его защиты от локальных электромагнитных
полей, преднамеренно создаваемых радиопередатчиками, а
непреднамеренная эмиссия помех должна быть ограничена для защиты работы
преднамеренно используемых радиоприемников. Таким образом, в
рассматриваемом случае два аспекта ЭМС, взаимно дополняющих друг
друга, связаны с решением двух различных вопросов.
Частоты свободного излучения
Оборудование некоторых видов, известное под общим
наименованием «промышленные, научные и медицинские (ПНМ)
устройства», генерирует радиочастотную энергию высокого уровня, но
использует ее для целей иных, чем обеспечение радиосвязи.
Примерами являются медицинские диатермические аппараты и
аппараты высокочастотного нагрева. Установление норм, значительно
ЭМС для разработчиков продукции
31
уменьшающих уровни электромагнитной эмиссии для указанного
оборудования» было бы нереалистичным. Поэтому Международный
союз электросвязи (МСЭ) специально для указанных целей
выделил несколько полос частот и оборудование, использующее только
указанные частоты (для них используется разговорное выражение
«частоты свободного излучения»), не подвергается ограничениям
электромагнитной эмиссии. Указанные полосы частот приведены в
таблице 1.
Таблица 1.1 Частоты свободного излучения промышленных, научных и
медицинских устройств, выделенные МСЭ
Источник: ВН55011:1991
Центральная частота, МГц
6,780
13.560
27,120
40,680
433,920
2450
5 800
24125
61250
122500
245 000
Полоса частот, МГц
6,765 — 6,795
13,553—13,567
26.957 — 27,283
40.66 — 40.70
433.05 — 434,79
2400 — 2 500
5725 — 5875
24000—24 250
61 000 — 61 500
122000—123000
244 000 — 246000
*
*
*
*
*
* максимально допустимые уровни излучения находятся на
рассмотрении в СИСПР и являются предметом специальных разрешений.
Таблица 1J Продолжение
Частота, МГц
0,009 — 0,010
3,370-3.410
13.533—13,553
13,567—13,587
83,996-84,004
167,992-168,006
866,000-906,000
Максимально допустимая мощность
излучения
Не ограничена
Не ограничена
1ЮдБ(мкВ/м) на расстоянии 100 м
110 дБ(мкВ/м) на расстоянии 100 м
130 дБ(мкВ/м} на расстоянии 30 м
130 дБ(мкВ/м) на расстоянии 30 м
120 дБ(мкВ/м) на расстоянии 30 м
Примечание
Германия
Нидерланды
Англия
Англия
Англия
Англия
Англия
Частоты» выделенные на национальной основе в странах,
являющихся членами СЕНБЛБК
32 Введение
Станционные помехи
Еще одной проблемой радиосвязи» часто относимой к
проблемам ЭМС, хотя и не рассматриваемой в настоящей книге, является
проблема помех, вызванных нежелательными радиосигналами,
воздействующими в одном и том же канале. Указанные помехи
возникают, когда двум радиосистемам, исходя из того, что расстояние
между ними является достаточным, выделяется для использования
одна и та же частота, но ненормальные условия распространения
приводят к возрастанию уровня сигнала до значений, при которых
воздействие помех становится заметным. По существу, эта проблема
относится к проблемам использования радиочастотного спектра.
Кроме того, сигналы радиопередатчика могут перегружать
входные каскады расположенного поблизости радиоприемника,
который настроен на другую частоту, и приводить к уменьшению
чувствительности радиоприемника и искажениям полезного сигнала.
На выходе самого радиопередатчика, помимо сигнала
установленной частоты, будут также присутствовать нежелательные частотные
составляющие, и утверждение типа радиопередатчика имеет целью
установить для указанных нежелательных составляющих
предельно допустимые значения.
/. 1.2.3 Помехи в сетях электропитания
Электрическая энергия при ее распределении в сетях
электропитания претерпевает множество воздействий помех. Указанные
помехи могут быть созданы источниками в сетях электропитания,
нагрузками в подключенной электрической установке, а также
оборудованием других пользователей электрической энергией.
Поставка электрической энергии с неискаженной формой кривой
напряжения и при полном отсутствии кратковременных
прерываний не является оптимальной с точки зрения критерия «стоимость
— эффективность». Баланс между стоимостью электрической
энергии и ее качеством определяется национальными регулирующими
требованиями, в которых учитывается практический опыт энергос-
набжающих организаций.
Типичными помехами в сетях электропитания являются:
• отклонения напряжения. Распределительные сети
характеризуются конечным импедансом источника напряжения,
и изменения нагрузки оказывают влияние на уровень
напряжения на зажимах подключенного оборудования. Бели
ЭМС для разработчиков продукции 33
не учитывать падений напряжения, вызванных нагрузками
в сетях потребителей электрической энергии, то разброс ±
10% от номинального значения напряжения будет
охватывать нормальные отклонения напряжения электропитания
в распределительных сетях Соединенного Королевства.
Результатом сдвига номинального напряжения
электропитания от 240 В до 230 В, как это было установлено в
гармонизированном документе СЕНЕЛБК HD 472.S1:1988 и было введено
в Соединенном Королевстве стандартом BS 7697: 1993 [161],
явилось то, что с 1 января 1995 г. номинальное значение
напряжения электропитания в Соединенном Королевстве составляет
230 В с допустимым отклонением +10%, -6%. После 1 января
2003 г. номинальное значение напряжения в Соединенном
Королевстве будет равно 230 В с допустимым отклонением ±10%,
как это имеет место во всех других государствах — членах ЕС.
• колебания напряжения. Кратковременные (менее секунды)
колебания с достаточно малыми амплитудами вызывают
изменения светового потока электрических световых приборов,
которые действуют раздражающе на людей, хотя указанные
колебания напряжения практически не влияют на электронные
схемы, подключенные к электрической сети. Возникновение
фликера, вызываемого коммутацией электрических нагрузок с
высоким энергопотреблением, является предметом контроля в
соответствии с установленными правилами;
• прерывания напряжения. Короткие замыкания в силовых
распределительных системах вызывают провалы напряжения,
величина которых составляет почти 100%, но они быстро
автоматически устраняются защитными устройствами, так что
во всех частях системы напряжение немедленно
восстанавливается. В результате большинство потребителей испытывает
короткий провал напряжения. Частота возникновения таких
провалов зависит от структуры распределительной сети и
сезонных факторов;
• искажения формы кривой напряжения. Электрическая
энергия, создаваемая генерирующими источниками,
характеризуется чисто синусоидальной формой кривой
напряжения, однако реактивный импеданс
распределительной сети совместно с гармоническими токами,
потребляемыми нелинейными нагрузками, вызывают искажения
напряжения. Гармонические искажения могут быть в дей-
34 Введение
ствительности более сильными в точках, удаленных от
нелинейных нагрузок, вследствие резонансов в элементах сети.
Не только большинство нелинейных гармонических токов
должно быть ограничено, но и оборудование должно быть
способно работать при условии, что коэффициент искажения
синусоидальности кривой питающего напряжения достигает 10%;
• переходные процессы и импульсы напряжения. При операциях
коммутации в результате прерываний тока в индуктивных
цепях генерируются переходные процессы напряжением до
нескольких сотен вольт. Эти переходные процессы обычно
представляют собой пачки импульсов и характеризуются тем,
что длительность фронта импульса составляет не более
нескольких наносекунд. Ограниченная полоса частот
распределительной сети быстро ослабляет переходные процессы от всех
источников, за исключением местных. Реже могут
наблюдаться импульсы с более высокой амплитудой, превышающей 2 кВ,
возникающие в результате коротких замыканий. Импульсы
напряжения еще более высокой амплитуды, возникающие в
результате молниевых разрядов, наиболее часто наблюдаются
в воздушных линиях распределительных электрических сетей
в сельских районах. Все указанные источники помех могут
вызывать нарушения функционирования оборудования и систем,
которые не обладают необходимой помехоустойчивостью.
Передача сигналов в силовых сетях
Еще одним источником несовместимости является использование
электрических силовых распределительных сетей в качестве линий
передачи сигналов, т.е. осуществление сигнализации по силовым
линиям. Передачу сигналов по силовым линиям в полосе частот от 3
до 150 кГц осуществляют как энергоснабжающие организации, так
и потребители электрической энергии. К сожалению, полоса
частоты от 3 до 150 кГц является полосой, в которой с наибольшей
эффективностью работают различные электронные преобразователи — не
только импульсные источники питания, но и электронные
преобразователи регулируемых электрических приводов, индукционных
нагревательных печей и аналогичных изделий. В настоящее время
общеевропейские стандарты, которые регламентируют уровни кон-
дуктивных помех в сетях электропитания на частотах ниже 150 кГц
практически отсутствуют, хотя БН 50065-1 [138] устанавливает
распределение частот и предельные уровни передаваемых сигналов
и помех для оборудования, осуществляющего передачу сигналов.
ЭМС для разработчиков продукции 35
В целом проблемы обеспечения электромагнитной совместимости
между системами передачи сигналов в силовых сетях и указанным
силовым преобразовательным оборудованием могут» как
ожидается, усложняться*
1.1.2.4 Другие вопросы ЭМС
Выше обсуждались вопросы, от которых непосредственно
зависит соответствие изготовленных изделий коммерческим
требованиям ЭМС. Вместе с тем существуют и некоторые другие аспекты
проблемы ЭМС, о которых следует кратко упомянуть.
Электровзрывные устройства и огнеопасные газообразные
среды
Первый из указанных аспектов ЭМС касается опасности
возгорания легковоспламеняющихся газообразных сред на
нефтехимических предприятиях и опасности детонации электровзрывных
устройств в таких местах, как карьеры, в результате воздействия
внешних радиочастотных электромагнитных полей. Сильные
электромагнитные поля индуцируют токи в больших металлических
структурах, которые ведут себя, как приемные антенны. Если две
такие структуры разделены или между ними возможны
периодические контакты, возникает искровой разряд. Если в месте
возникновения искры имеется легковоспламеняющаяся газообразная среда
и если искра имеет достаточную энергию, то газообразная среда
будет подожжена. Различные газообразные среды имеют разные
минимальные энергии воспламенения, и среди них наиболее
чувствительна в этом отношении система водород — кислород. Энергия
искрового разряда зависит от напряженности поля, и,
следовательно, расстояния до радиопередатчика, и от эффективности антенны,
функции которой выполняет металлическая структура. Стандарт
BS 6656 [158] определяет природу рассмотренного явления и
регламентирует мероприятия по уменьшению возникающей опасности.
Сходные процессы имеют место в электровзрывных установках,
которые в типичном случае подключены к источникам
электропитания с помощью длинных линий, которые могут выполнять функции
антенн. Токи, наводимые в них расположенными поблизости
радиопередатчиками, могут вызвать преждевременный взрыв зарядов,
если напряженность поля является достаточной для этого. Как и
в случае возгорания легковоспламеняющихся сред, риск
преждевременной детонации зависит от расстояния до радиопередатчика и
эффективности приемной антенны. Электровзрывные устройства
36 Введение
могут быть при необходимости снабжены фильтрами,
уменьшающими их восприимчивость к воздействию радиочастотных
электромагнитных полей. Опасность воздействия электромагнитных полей
на электровзрывные устройства обсуждается в стандарте BS 6657
[159].
Безопасность информации
Второй аспект ЭМС относится к безопасности конфиденциальной
информации. Радиочастотная электромагнитная эмиссия низкого
уровня от оборудования обработки данных может оказаться
модулированной сигналами, несущими информацию, создаваемыми
оборудованием, например видеосигналами, поступающими на
экран монитора. Эти сигналы могут быть обнаружены с
использованием чувствительной аппаратуры, размещенной вне защищенной
области, и затем могут быть выделены для использования
информации в интересах третьей стороны, что приводит к компрометации
безопасности системы. Эта опасность в настоящее время полностью
признана правительственными учреждениями, и уже много лет
назад были установлены технические требования, относящиеся к
контролю эмиссии в соответствии со схемой ТЕМПЕСТ. В настоящее
время полное понимание важности этой проблемы начинает
распространяться среди коммерческих предприятий, особенно
действующих в финансовой сфере.
Электромагнитное оружие
Идея о том, что преднамеренно созданный мощный
широкополосный излученный электромагнитный импульс может быть
использован для нарушения работы всех потенциально
восприимчивых электронных систем в пределах некоторой области, получает
все большее признание. Учитывая, что электронные системы
являются почти всеобщей основой общественной жизни, нападение с
целью одновременного вывода из строя многих компьютерных сетей
может, действительно, иметь важные последствия. Известно, что
указанные технологии разрабатываются военными
исследователями США и других стран, но мы также можем представить себе, что
менее сложные устройства такого рода могут быть использованы
многими другими организациями и отдельными лицами.
Пресса, более склонная к сенсациям, для которой указанная идея,
естественно, представляет обширное поле деятельности, не
останавливается даже перед использованием фраз типа ^поджаривание
компьютерных чипов». Но если исходить из реальности, то количество
ЭМС для разработчиков продукции 37
энергии, необходимой для генерации электромагнитного импульса,
действующего на обширной области, будет столь велико, что только
полное разрушение электронных систем, а не нарушение их
функционирования может оправдать такие затраты энергии. Именно так
обстоит дело, если рассматривать эффект высотного ядерного взрыва,
генерирующего субнаносекундный электромагнитный импульс (ЭМИ
ВЯВ), который обладает разрушительным воздействием на площади
в сотни квадратных километров. Идея, которая привлекает в
настоящее время внимание военных исследователей, заключается в том,
чтобы сделать этот эффект более управляемым. Ограничения
применения любого оружия такого рода заключаются в
неопределенности результатов. Если вы не знаете точно, на какой вид электронных
систем вы воздействуете и насколько они защищены от воздействия,
трудно предсказать, какой вред может причинить это оружие.
Оборудование, которое устойчиво к местному воздействию
электростатических разрядов (ЭСР), имеет, вероятно, и хорошую устойчивость к
воздействию факторов электромагнитной войны.
1.1.3 Интервалы совместимости
Повышение восприимчивости электронных изделий к
электромагнитным воздействиям происходит параллельно с увеличением
электромагнитного загрязнения окружающей среды. Повышение
восприимчивости обусловлено, с одной стороны, использованием
микропроцессоров для обеспечения решения новых задач, а также
тех задач, которые ранее выполнялись с использованием
электромеханических и аналоговых устройств, что сопровождается
уменьшением энергии электромагнитных воздействующих факторов,
потенциально необходимой для нарушения функционирования
электронных систем. С другой стороны, повышение
восприимчивости связано с расширением применения средств радиосвязи и
увеличившимися возможностями создания помех радиоприему в
результате совместного расположения радиоприемников и
источников непреднамеренной электромагнитной эмиссии.
Расширение применения средств радиосвязи означает
увеличение числа одновременно работающих радиопередатчиков и
возрастание средней напряженности радиочастотных электромагнитных
полей, воздействующих на электронное оборудование. В
опубликованном докладе [31] были приведены количественные данные об
уровнях указанных воздействующих полей для конкретного места
(Бадей, Швейцария) при намерениях и точонш* годя. Ныло найдено.
38
Введение
что фоновая напряженность электромагнитного поля в диапазоне
коротких волн регулярно достигает уровня 1 В/м, а иногда и
превышает этот уровень. Кроме того, распространение электронных
цифровых устройств означает возрастание электромагнитной эмиссии
низкого уровня, воздействующей на радиоприем. Указанная
эмиссия была удачно названа «электромагнитным смогом».
Эти процессы существенно влияют на обеспечение ЭМС, что
может быть графически иллюстрировано сужением «интервалов»
электромагнитной совместимости, как показано на рис. 1.1.
Указанные на рисунке интервалы, естественно, позволяют получить о
происходящих процессах скорее общее представление, чем полную
характеристику. Явление, именуемое «электромагнитной эмиссией
Ф интервал
I помехоустойчивости
уровень
максимальная напряженность
электромагнитных полей работающих
радиопередатчиков
И|
помехоэммссия от оборудования
интервал
помехоэмиссии
Рис. Ы Интервалы ЭМС
от оборудования», и явление, именуемое «устойчивостью
оборудования к электромагнитным помехам», за исключением редких
случаев не связаны друг с другом. Тем не менее поддержание некоторых
искусственно установленных интервалов между устойчивостью
оборудования к электромагнитным помехам и уровнем
электромагнитной эмиссии при радиопередачах, с одной стороны, и между уровнем
электромагнитной эмиссии от оборудования и уровнем полезных
сигналов при радиоприеме, с другой стороны, является целью
применения стандартов ЭМС и представляет собой одну из целей
регулирования, осуществляемого с использованием Директивы ЭМС.
1.2 Директива ЭМС
Облегченный режим обеспечения ЭМС, который ранее почти
повсеместно существовал в Европе, в настоящее время кардинально
изменен в результате принятия Европейской комиссией Директивы
ЭМС № 89/336/ EEC [162], введение которой в действие было
предусмотрено <* 1 ятмфя 1992 г. Существует общепризнанное мнение»
ЭМС для разработчиков продукции 39
что Директива ЭМС является наиболее всесторонней, сложной и»
возможно, наиболее придирчивой Директивой» когда-либо исходив*
шей из Брюсселя [34]. В последующих разделах настоящей главы
рассматриваются положения Директивы ЭМС и исследуется,
какими путями должны следовать изготовители для обеспечения
соответствия этой Директиве.
1.2.1 Директивы нового подхода
Обеспечение свободного движения товаров между европейскими
государствами* является важнейшей целью образования Общего
Европейского рынка. Все государства-члены вводят для
изготовителей товаров стандарты и устанавливают их ответственность для
обеспечения качества и безопасности товаров, защиты пользователей
и т.д. Определенные различия в процедурах и требованиях играют
роль технических барьеров в торговле и приводят к раздробленности
Европейского рынка и повышению стоимости товаров, так как
изготовители должны модифицировать свою продукцию применительно
к различным национальным рынкам.
Многие годы Европейская комиссия пыталась устранить
указанные барьеры, внося предложения о принятии Директив,
устанавливающих детальные требования, которым товары должны отвечать
для того, чтобы они могли быть свободно проданы повсюду в
Сообществе, но это оказалось трудным из-за того, что каждая Директива
должна быть крайне детализированной, и вследствие
необходимости единодушия для того, чтобы она была принята. В 1985 г. Совет
Министров принял резолюцию, устанавливающую «Новый иодход
к технической гармонизации и стандартам».
В соответствии с «Новым подходом» европейские директивы
ограничиваются установлением существенных требований,
которые должны быть удовлетворены перед тем, как изделия могут быть
представлены на рынок где-либо в пределах Европейского союза.
Детальные технические требования устанавливаются в стандартах,
разрабатываемых европейскими органами по стандартизации (СЕН,
СЕНЕЛЕК и ЕТСИ). Соответствие требованиям этих стандартов
будет доказывать соответствие существенным требованиям каждой
директивы. Все изделия, на которые распространяются требования
нескольких директив, должны отвечать существенным
требованиям каждой из этих директив, но все изделия, которые отвечают
указанным требованиям и маркированы в качестве таковых знаком
* Страны Европейского Союза и Европейского экономического пространства
приведены в Приложении О
40 Введение
соответствия, могут свободно перемещаться в пределах Сообщества,
и ни одно государство-член не может отказать им по техническим
соображениям в поступлении на рынок. Решения относительно
директив «Нового подхода» принимаются квалифицированным
большинством голосов, что исключает необходимость единодушного
голосования и ускоряет процесс их принятия.
В начале 2000 г. Европейской комиссией был опубликован
документ [165], устанавливающий определенные рамки, использование
которых может обеспечить разработку европейских директив
«Нового подхода» в относительно единообразном стиле.
Содержание
Директивы «Нового подхода» содержат следующие элементы
Ц64]:
• область применения директивы;
• заявление о существенных требованиях;
• метод, с использованием которого могут быть удовлетворены
существенные требования;
• способ, с использованием которого может быть осуществлено
доказательство соответствия;
• переходные условия, которые могут быть допущены;
• защитную процедуру, необходимую для того, чтобы позволить
государствам — членам ЕС требовать удаления изделия с
рынка, если указанное изделие не удовлетворяет существенным
требованиям.
Ответственность за выдвижение перед Советом министров
предложений о новых европейских директивах возлагается на
Европейскую комиссию. Третье Главное управление Европейской комиссии
несет полную ответственность за подготовку Директивы ЭМС.
Решение о том, принимать или не принимать предложенную Директиву
ЭМС, было фактически принято Советом министров
квалифицированным большинством, включающим 54 голоса «за» из 76
голосовавших (Соединенное Королевство, Франция, Германия и Италия
имеют по 10 голосов, Испания имеет 8 голосов, Бельгия, Греция,
Нидерланды и Португалия имеют по 5 голосов, Дания имеет 3
голоса, Люксембург имеет 2 голоса). Тексты предложенной и
принятой Директивы ЭМС были опубликованы в Официальном журнале
Европейского сообщества. Консультации по проектам Директивы
ЭМС осуществлялись обычным способом — через европейские пред-
ЭМС для разработчиков продукции 41
ставительные органы и в рабочих группах правительственных
экспертов,
1.2.1.1 Другие директивы
Во время подготовки Директивы ЭМС независимо от нее были
приняты другие директивы «Нового подхода», которые могут
оказать влияние на некоторые отрасли электротехнической и
электронной промышленности. Их наименования приведены ниже:
• Безопасность игрушек (88/378/ЕЕС);
• Неавтоматические взвешивающие устройства (90/384/ЕЕС);
• Медицинские изделия (93/42/ЕЕС);
• Активные имплантируемые медицинские изделия (90/385/
EEC);
• Безопасность машин (89/392/ЕЕС);
• Приборы для сжигания газового топлива (90/396/ЕЕС);
• Лифты (95/16/ЕС);
• Телекоммуникационное оконечное оборудование (98/13/ЕС);
• Ин витро диагностические медицинские устройства (98/79/
ЕС);
• Радио- и телекоммуникационное оконечное оборудование (99/
5/ЕС).
Дополнительно к указанному перечню имеются две другие
директивы, которые имеют отношение к Директиве ЭМС, хотя и не
относятся к директивам «Нового подхода». Это так называемые
♦Низковольтная Директива» (LVD) (72/23/EEC) и «Автомобильная
Директива ЭМС» (95/54/ЕС). Низковольтная Директива имеет
отношение к безопасности продукции, а не к вопросам ЭМС, но,
учитывая требования Директивы о маркировании продукции знаком
соответствия СЕ (см. раздел 1.2.4), в настоящее время знак
соответствия СЕ удостоверяет соответствие продукции как требованиям
Низковольтной Директивы, так и всех других применимых
директив «Нового подхода».
Автомобильная Директива ЭМС требует осуществлять
утверждение типа в отношении ЭМС всех автотранспортных средств и всех
электронных компонентов, применяемых на автотранспортных
средствах. Указанная Директива представляет собой изменение к
ранее принятой Директиве 72/245/ЕЕС, целью которой являлся
контроль эмиссии электромагнитных помех двигателями внутреннего
сгорания. В отличие от Директивы ЭМС Автомобильная Директива
42 Введение
ЭМС включает приложения, содержащие все применимые
технические требования и методы испытаний, многие их которых
существенно отличаются от установленных в стандартах, обсуждаемых
в главе 2 настоящей книги. Автомобильные электронные системы,
на которые распространяется Автомобильная Директива ЭМС,
следует автоматически исключить из области применения
Директивы ЭМС. Это достаточно очевидно для систем, предназначенных
для установки в новые автотранспортные средства, которые сами
являются объектами требований Автомобильной Директивы ЭМС,
но ситуация не столь очевидна для изделий, ранее прошедших
стадию сбыта (т.е. изделий, которые проданы для использования
в автотранспортных средствах, находятся на складах, но были
поставлены, не как новое оборудование). По-видимому, электронные
компоненты, применяемые на автотранспортных средствах,
должны быть до 1 октября 2002 г. исключены из области применения
Автомобильной Директивы ЭМС, но тогда одним из последствий
этого исключения явится применение к указанным электронным
компонентам требований Директивы ЭМС. Возможно, что
сложившаяся ситуация в различных государствах-членах будет
по-разному истолковываться в ЕС.
1.2.1.2 Директива о радио- и телекоммуникационном
оконечном оборудовании
Директива о радио- и телекоммуникационном оконечном обору-
довании (99/5/ ЕС) вступила в силу 8 апреля 2000 г. с переходным
периодом до ? апреля 2001 г.; после этой даты все оборудование*
относящееся к области применения указанной Директивы, должно
соответствовать ее требованиям. Эта Директива представляет собой
развитие ранее принятой Директивы о телекоммуникационном
оконечном оборудовании (89/13/ЕС). Имея область применения,
охватывающую телекоммуникационное оконечное оборудование всех
назначений и радиооборудование всех назначений, эта Директива
заменяет Директиву ЭМС применительно к указанному
оборудованию. При этом требования ЭМС сохранены, хотя на этот счет
имеются небольшие изменения. Точно определено оборудование, которое
исключено из области применения Директивы о радио- и
телекоммуникационном оконечном оборудовании, в том числе:
• аппараты, используемые исключительно для обеспечения
общественной безопасности, обороны, государственной
безопасности и государственной деятельности в области выполнений
уголовного законодательства;
ЭМС для разработчиков продукции 43
♦ морское оборудование» оборудование гражданской авиации и
управления воздушным движением (для указанного
оборудования применяются отдельные предписания);
• оборудование для радиолюбителей, радиовещательные прием-
ники, кабельные системы и провода связи.
Введение Директивы о радио- и телекоммуникационном
оконечном оборудовании фактически привело к фундаментальному
изменению способов регулирования, относящихся к указанному
оборудованию, которое ранее на национальном и общеевропейском
уровне было объектом режима утверждения типа. Целью введения
указанной Директивы явилось в основном упрощение и облегчение
процедур и уменьшение объема существенных требований в
соответствии с подходами Европейского союза, что можно
рассматривать как быструю реакцию на нужды рынка.
Требования
Директива о радио- и телекоммуникационном оконечном
оборудовании вводит требования Низковольтной Директивы и
Директивы ЭМС и позволяет в дальнейшем применять для указанного
оборудования режимы оценки соответствия, уже введенные в указанных
директивах. Важнейшим отличием является исключение нижнего
допустимого предела напряжения для применения требований
Низковольтной Директивы (50 В переменного тока и 75 В постоянного
тока). Это означает, что требования безопасности применимы даже
к портативным аппаратам с батарейным питанием, имея, например,
в виду обязательное применение норм излучений, обеспечивающих
безопасность. Поэтому мобильные портативные радиопередатчики
должны быть объектом оценки соответствия этим нормам.
Одобрение типа радиопередатчиков упразднено при
одновременном введении дополнительных требований по эффективному
использованию радиочастотного спектра с тем, чтобы исключить влияние
помех. Это не мешает национальным органам власти применять
ограничения, касающиеся управления спектром с применением
процессов лицензирования, но они не должны навязывать в этой
связи режим одобрения типа. Введено требование информировать
соответствующие национальные органы власти в случае намерения
разместить на рынке оборудование, которое использует негармони-
зированное распределение спектра. В случае необходимости органы
власти должны выдвинуть возражения в течение четырех недель.
44 Введение
Директива также позволяет Европейской комиссии вводить
дополнительные требования для оборудования определенных классов,
но до настоящего времени такие требования не вводились.
Особого внимания заслуживают требования к оконечному
оборудованию, направленные на то, чтобы исключить передачу помех в
сети или такие режимы функционирования оборудования, которые
вызывают неприемлемое ухудшение обслуживания других
пользователей. Эти аспекты ЭМС традиционно регулировались с
использованием процессов одобрения типа, однако существует опасение, что
если оставить процесс регулирования и установления требований к
оборудованию в том же виде, как он существовал ранее, то это
повредит общеевропейской гармонизации применительно к сектору
проводной связи и промышленности средств связи.
1.2.2 Развитие законодательства
Предшествующие законодательные акты Соединенного
Королевства, относящиеся к ЭМС, были ограничены областью радиосвязи.
Раздел 1 Акта о беспроволочной телеграфии 1949 г. предоставляет
возможность вводить обязательные предписания в целях
контроля изделий различного назначения, способных создавать помехи
радиосвязи, в том числе изделий, представляющих собой
радиооборудование, и не относящихся к радиооборудованию. Указанные
предписания вводились в форме различных государственных актов,
предусмотренных законом, которые распространялись на эмиссию
помех от систем с двигателями внутреннего сгорания с искровым
зажиганием, медицинских электрических аппаратов, устройств
радиочастотного нагрева, бытовых электрических приборов,
люминесцентных световых приборов и средств радиосвязи личного пользования,
работающих в гражданском диапазоне частот (СВ).
Указанный Акт предоставляет также возможность введения
обязательных предписаний, касающихся устойчивости
радиооборудования к воздействию помех, но эта возможность до сих пор не была
использована.
На европейском уровне много лет назад были приняты
различные директивы, также направленные на осуществление контроля
эмиссии помех от оборудования отдельных видов. Так,
Директива 72/245 EEC регулирует создание помех от автотранспортных
средств, имеющих двигатели внутреннего сгорания с искровым
зажиганием. Директивы 76/889 EEC и 76/890 EEC, дополненные
несколькими последующими директивами, применяются при
регулировании помех от бытовых электрических приборов и переносных
ЭМС для разработчиков продукции 45
электрических инструментов, люминесцентных ламп и
светильников. Указанные две последние директивы были отменены и
заменены Директивой ЭМС. От каждого государства, являющегося членом
Европейского союза, требуется ввести положения этих директив в
национальное законодательство, как показано выше для
Соединенного Королевства.
Предшествующие законодательные акты по объему
затрагиваемых вопросов не сравнимы с Директивой ЭМС, сфера действия
которой охватывает не только вопросы, относящиеся к помехам
радиосвязи, создаваемым оборудованием, но распространяется в
целом на устойчивость к электромагнитным помехам и на эмиссию
электромагнитных помех.
1.2.3 Область применения, требования и исключения
Директива ЭМС 89/336/ЕЕС применяется к аппаратам,
способным создавать электромагнитные помехи, или к тем, качество
функционирования которых подвержено воздействию таких помех.
Под «аппаратом» понимается любой электрический и электронный
прибор, оборудование и установка. Существенно то, что область
применения Директивы охватывает все аппараты, питание которых
осуществляется от источника электрической энергии, независимо
от того, является ли указанным источником общественная
распределительная электрическая сеть, электрическая батарея или
специализированная питающая сеть (источник).
Под электромагнитной помехой понимается любое
электромагнитное явление, которое может ухудшить качество
функционирования аппарата безотносительно к частоте или механизму связи.
Таким образом, эмиссия всех излучаемых электромагнитных
помех, а также помех, распространяющихся в кабелях, а равно и
устойчивость к электромагнитным полям, низкочастотным сетевым
помехам, кондуктивным переходным и радиочастотным помехам,
электростатическим разрядам и импульсным помехам, вызванным
молниевыми разрядами, относится к области применения
Директивы ЭМС. Ни одно электромагнитное явление, касающееся
электромагнитной совместимости, не исключено из области применения
Директивы ЭМС.
В 1997 г. Европейской комиссией был разработан 60-страничный
документ, названный «Руководящие принципы по применению
Директивы Совета Европейских сообществ 89/336/ЕЕС» [166]. К этому
времени Директива ЭМС применялась уже в течение нескольких лет
и был получен определенный опыт, касающийся тех трудностей, с
46 Введение
которыми было связано применение требований этой Директивы.
Руководящие принципы в целом являются полезным
документом, хотя в некоторых местах форму их изложения можно назвать
усложненной и уклончивой. В настоящей главе на указанные
Руководящие принципы несколько раз приведены ссылки.
1 2.3.1 Существенные требования
Существенные требования Директивы ЭМС заключаются в том,
что аппараты должны быть изготовлены таким образом, чтобы:
• создаваемые ими электромагнитные помехи не превышали
уровня, обеспечивающего функционирование радио- и
телекоммуникационного оборудования и других аппаратов в
соответствии с назначением;
• аппараты имели достаточный уровень собственной
устойчивости к электромагнитным помехам, позволяющий им
функционировать в соответствии с назначением.
Цель установления существенных требований заключается в
том, чтобы защитить функционирование не только радио- и
телекоммуникационного оборудования, но и любого другого
оборудования, которое может быть восприимчивым к электромагнитным
помехам, например оборудования информационных технологий
или управления процессами. В то же время различное
оборудование должно быть в состоянии нормально функционировать в любой
обстановке, в которой было бы разумным ожидать его
использования. Несмотря на установление указанных требований, любое
государство — член Европейского союза имеет право принять
специальные меры, относящиеся к введению аппарата в
эксплуатацию, направленные на преодоление имеющихся или ожидаемых
проблем в области обеспечения ЭМС, связанных с размещением
аппаратов в определенных местах, или защитой общественных
телекоммуникационных сетей, или обеспечением работы служб
безопасности. Соответствие существенным требованиям должно
быть удостоверено с использованием одного из двух основных
способов: способа самосертификации применительно к требованиям
гармонизированных стандартов ЭМС или способа подготовки
технического файла конструкции. Эти способы обсуждаются в
разделе 1.3.
1 2.3.2 Продажа и использование изделий
Директива ЭМС применяется для всех аппаратов, которые
размещаются на рынко или вводятся в эксплуатацию. Определения двух
ЭМС для разработчиков продукции 47
терминов — «размещение на рынке» и «ввод в эксплуатацию» — не
приведены в самой Директиве ЭМС» и их содержание раскрывается в
нескольких параграфах «Руководящих принципов по применению
Директивы Совета Европейских сообществ 89/336/ЕЕС» [166 ]♦
Размещение на рынке
Под «рынком» понимается рынок в любой или во всех странах
Европейского экономического пространства (ЕЭП). Изделия,
соответствие которых требованиям Директивы ЭМС удостоверено в
пределах одной из стран» входящих в ЕЭП, автоматически
считаются соответствующим этим требованиям в любой другой из этих
стран. «Размещение на рынке» означает первое появление аппарата
на рынке любой из стран ЕЭП, так что Директива ЭМС
распространяется лишь на новые изделия, изготовленные в странах ЕЭП, но
вместе с тем на новые и используемые изделия, импортируемые из
третьих стран. Вне области применения Директивы ЭМС находятся
изделия, бывшие в использовании, продаваемые вторично (так
называемые изделия «секонд хэнд»). В том случае, когда изделие
достигает конечного пользователя путем последовательных продаж,
считается, что изделие размещается на рынке, когда оно поступает
от изготовителя к первой из фирм, участвующих в цепи
последовательных продаж. Если изделие изготовляется или импортируется
в страны ЕЭП в целях последующего экспорта в третью страну, то
считается, что указанное изделие не размещается на рынке ЕЭП.
Директива ЭМС применяется к каждому индивидуальному
образцу изделия определенного типа, безотносительно к тому, когда
оно было изготовлено и относится ли изделие к продукции
единичного выпуска или крупносерийного производства. Следовательно,
любые образцы изделий, которые были изготовлены в любое время
до 1996 г., должны будут после 1 января 1996 г. соответствовать
положениям Директивы ЭМС. Другими словами, нет каких-либо
правовых положений, которые освобождали бы изделия,
изготовленные до введения в силу Директивы ЭМС, от выполнения
установленных ею требований. Однако Директива ЭМС не применяется
для изделий, которые до 1 января 1996 г. уже были введены в
эксплуатацию.
Ввод в эксплуатацию
Под «вводом в эксплуатацию» понимается первое использование
изделия пользователем в какой-либо стране, относящейся к ЕЭП.
При этом требования по защите, установленные Директивой ЭМС,
48 Введение
продолжают действовать и в том случае» если изделие используется
без размещения на рынке, например, если изготовитель является
также и конечным пользователем. Это означает, что в каждом
государстве — члене Европейского союза будут в данном случае
действовать санкции, направленные на то, чтобы исключить
использование изделия, которое не соответствует требованиям Директивы
ЭМС или которое в результате создания помех создает проблемы,
связанные с нарушением работы других изделий или является
потенциальным источником указанных проблем. С другой стороны, в
рассматриваемом случае нет необходимости выполнять процедуры
подтверждения соответствия, предусмотренные Директивой ЭМС
(статья 10.2), так как эти процедуры не связаны с введением
изделия в эксплуатацию. Таким образом, некоторый специальный
испытательный прибор, разработанный и изготовленный техником
испытательной лаборатории, предназначенный для использования
только в испытательном отделе компании, должен быть
сконструирован и установлен таким образом^ чтобы не вызывать нарушений
работы других аппаратов в результате воздействия помех, но он не
нуждается в проведении процедур подтверждения соответствия и
маркировании знаком соответствия СЕ.
Если изготовитель находится вне пределов ЕЭ11, то
ответственность за выполнение процедур подтверждения соответствия
требованиям Директивы ЭМС возлагается на лицо, размещающее
изделие в первый раз на рынке в странах ЕЭП, т.е. на уполномоченного
представителя указанного изготовителя или на импортера. Любой
изготовитель, который осуществляет объединение некоторых
существующих конечных изделий для того, чтобы получить конечное
изделие, например предприниматель, являющийся системным
интегратором, считается изготовителем нового конечного изделия.
1.2.3.3 Исключения
Существует несколько исключений из области применения
Директивы ЭМС. Например, исключаются аппараты, самостоятельно
изготовляемые радиолюбителями (к ним не относятся радиостанции
для связи в гражданском диапазоне). В Соединенном Королевстве в
соответствии с национальными предписаниями из области
применения Директивы ЭМС исключаются также изделия, специально
сконструированные для применения в изолированной
электромагнитной обстановке.
Военное оборудование исключается из области применения
Директивы ЭМС в соответствии с разделами Соглашения об обороне, но
ЭМС для разработчиков продукции 49
военное оборудование двойного (военного и гражданского)
применения должно соответствовать требованиям Директивы ЭМС, если
оно размещается на рынке для гражданского применения. В
соответствии с национальными предписаниями Соединенного
Королевства не нуждаются в подтверждении соответствия существенным
требованиям Директивы ЭМС также технические средства обучения
и тренировочное оборудование в том случае, если основная функция
указанных аппаратов связана с умышленным созданием
электромагнитных помех или с восприимчивостью к указанным помехам.
При этом пользователь должен обеспечить условия, при которых
указанное оборудование не будет создавать электромагнитных
помех вне обстановки его непосредственного применения. Кроме того,
на оборудовании и в сопроводительной документации должно быть
предупреждение о том, соответствие требованиям
электромагнитной совместимости нарушается при использовании вне классных
комнат или лабораторий. Требования помехоустойчивости для
аппаратов, основная функция которых связана с восприимчивостью к
электромагнитным помехам, не устанавливаются.
Из области применения Директивы ЭМС исключены также
несколько групп аппаратов, требования электромагнитной
совместимости для которых установлены в других директивах или
предписаниях. На момент написания настоящей книги такими аппаратами
являлись:
- медицинские изделия, активные имплантируемые
медицинские устройства и in vitro диагностические медицинские
аппараты (помехоэмиссия и помехоустойчивость);
• автотранспортные средства с двигателями внутреннего
сгорания;
• летательные аппараты, на которые распространяются
Предписания 3922/91;
• морское оборудование;
• неавтоматические взвешивающие машины
(помехоустойчивость);
• счетчики электрической энергии (помехоустойчивость);
• радио- и телекоммуникационное оконечное оборудование.
1.2.3.4 Компоненты
Вопрос о том, когда «компоненты» (которые не входят в область
применения Директивы ЭМС) становятся «аппаратами» (которые
50 Введение
входят в указанную область применения), всегда являлся
проблематичным. В «Руководящих принципах по применению Директивы
Совета Европейских сообществ 89/336/ЕЕО в этой связи введена
концепция выполнения «прямой функции». Под «прямой
функцией» понимается любая функция, непосредственно выполняемая
компонентом при его применении конечным пользователем, в
соответствии с назначением, определенным изготовителем в инструкции
по эксплуатации. Эта функция должна быть доступной без
дальнейших регулировок или соединений, исключая самые простые
действия, которые могут быть выполнены любым лицом, не полностью
осведомленным о проблемах ЭМС. Любой компонент без прямой
функции, очевидно, не является «аппаратом» в значении,
установленном в Директиве ЭМС, и, следовательно, должен быть исключен
из области применения Директивы. Поэтому Директива ЭМС не
распространяется на электрические или электронные компоненты,
формирующие части электрических или электронных схем, такие
как интегральные схемы и резисторы.
Если о компоненте можно сказать, что он имеет прямую
функцию, то возникает вопрос, предназначен ли он для размещения на
рынке с целью продажи для конечного использования. Если это так,
то компонент является аппаратом и применительно к нему
необходимо проведение в полном объеме процедур подтверждения
соответствия, предусмотренных Директивой ЭМС. Если это не так, то такой
компонент предназначен для включения в состав аппаратов
другими изготовителями, которые несут ответственность за соответствие
конечного изделия требованиям Директивы ЭМС.
Компонент может не иметь прямой функции и предназначаться
лишь для включения в состав определенного аппарата, но вместе
с тем быть достаточно сложным. В этом случае изготовитель
указанного компонента должен сообщить изготовителю аппарата о
порядке использования указанного компонента и его включения в
состав аппарата. Важно различать компоненты, имеющие прямые
функции, которые могут самостоятельно использоваться в составе
систем, от других компонентов (субсборок), которые могут иметь
прямую функцию, размещаться на рынке по отдельности, и в то же
время не могут использоваться вне аппарата, в котором они будут
установлены.
В частном случае сменных плат, разработанных для применения
в составе персональных компьютеров, которые поставляются
третьей стороной, для того чтобы пользователь самостоятельно
включил их в компьютер, ситуация является достаточно ясной. Хотя та-
ЭМС для разработчиков продукции 51
кие компоненты могут использоваться лишь в составе компьютера,
они размещаются на рынке для продажи конечному пользователю
и, следовательно, должны быть маркированы знаком соответствия
СЕ. Указанные сменные платы должны быть испытаны на
соответствие требованиям гармонизированных стандартов с применением
«представительного» компьютера и соответствующим образом
сертифицированы.
Таким образом, применение двух требований — «выполнения
прямой функции» и 4 предназначения для конечного пользователя»,
как правило, помогает определить, какие изделия являются
компонентами, а какие не являются ими. Те изделия, которые могут
одновременно поставляться заказчикам для включения в другие
аппараты и размещаться на рынке для продажи конечному пользователю,
являются аппаратами и нуждаются в отдельной сертификации.
Если изготовитель может настоять, что его изделия предназначены
только для поставки заказчикам для включения в другие аппараты,
то его изделия — компоненты. Это различие было использовано
многими поставщиками для того, чтобы снять с себя ответственность за
соответствие их изделий требованиям Директивы ЭМС («О нет,
Директива ЭМС к нам неприменима, мы производим компоненты»). Но
через некоторое время эти неповоротливые люди обнаружат, что все
их клиенты так или иначе требуют сообщить характеристики ЭМС
изделий для того, чтобы они могли выполнить свои обязанности по
подтверждению соответствия аппаратов требованиям ЭМС.
Директива ЭМС не применяется еще для одной разновидности
аппаратов. К ним относятся достаточно простые аппараты,
которые не способны создавать электромагнитные помехи и не
подвержены их влиянию. Указанные аппараты называются «мягкими в
электромагнитном отношении». Каких-либо официальных правил
отнесения аппаратов к категории «мягких в электромагнитном
отношении» не существует, хотя, например, электрический фонарик с
питанием от батарей или бытовая электрическая плита могут быть
с полной уверенностью отнесены к указанной категории. Вместе с
тем этого нельзя сказать, например, об электрическом устройстве с
питанием от батарей, содержащем электродвигатель.
1.2.4 Знак соответствия СЕ и декларация соответствия
От изготовителя или его уполномоченного представителя
требуется удостоверить, что требования по защите, установленные
Директивой ЭМС, были выполнены. Для этого изготовитель или его
уполномоченный представитель:
52 Введение
* издает декларацию о соответствии, которая должна быть в
наличии для представления на рассмотрение соответствующего
органа государственной власти в течение 10 лет после
размещения аппарата на рынке;
• наносит знак соответствия СЕ на аппараты, или, если это
невозможно, на упаковку, инструкцию по эксплуатации, либо на
гарантийный сертификат (в данном порядке очередности).
Дополнительная Директива, касающаяся порядка нанесения и
использования знака соответствия СЕ, была принята в 1993 г. [168].
Эта Директива гармонизировала различные положения,
относящиеся к нанесению знака соответствия СЕ, установленные в принятых
ранее директивах «нового подхода»» Знак соответствия содержит
буквы СЕ, как показано иа рис. 1.2. Высота знака должна быть по
меньшей мере 5 мм, и он должен быть нанесен таким образом, чтобы
С€
Рис. 1.2. Знак соответствия СЕ
быть «видимым, разборчивым и несмываемым», причем никакие
методы нанесения знака специально не установлены. Нанесение
указанного знака служит признаком соответствия не только
требованиям Директивы ЭМС, но также требованиям любых иных
директив, относящихся к указанному изделию, требующих применения
знака соответствия СЕ. Например, нанесение знака СЕ на игрушку
означает ее соответствие как Директиве о безопасности игрушек,
так и Директиве ЭМС. Многие электрические изделия подпадают
под действие Низковольтной Директивы, и знак СЕ означает, что
изделие соответствует также требованиям этой Директивы.
Однако в течение переходного периода любой применимой Директивы
знак соответствия СЕ не должен означать соответствия требованиям
указанной Директивы. Перечень директив, требованиям которых
изделие соответствует, следует приводить в относящейся к делу
документации, например в декларации о соответствии.
Декларация ЕС о соответствии требуется независимо от того,
осуществляет изготовитель самосертификацию аппарата на
соответствие требованиям гармонизированных стандартов или следует
по пути разработки технического файла конструкции (раздел 1.3).
Декларация ЕС о соответствии должна включать следующее:
ЭМС для разработчиков продукции 53
• описание аппарата, к которому она относится;
• ссылки на технические требования, на основании которых
декларируется соответствие, и, где это необходимо, ссылки на
национальные меры, осуществляемые для обеспечения
соответствия аппаратов положениям Директивы;
• реквизиты, позволяющие идентифицировать подписи
изготовителя или его уполномоченного представителя.
1.2.4.1 Описание
Описание аппарата должно быть простым; предполагая, что
аппарат имеет типовой номер, ссылку на этот номер следует считать
достаточной (имеется в виду, что подтверждающая документация в
наличии). Трудности возникают, когда тип аппарата подвергается
пересмотру или модификации. На какой стадии результат
модификации или усовершенствования следует рассматривать как новый
образец оборудования, применительно к которому необходима
повторная самосертификация? Если декларация о соответствии
относится к некоторому условному аппарату «Видгет 2000» с
программным обеспечением версии 1.0, разработанным в 1993 г., то можно
ли считать, что эта декларация продолжает относиться к аппарату
«Видгет 2000S» с программным обеспечением версии 3.2,
разработанным в 1996 г.? Благоразумный подход в этом случае должен
быть основан на следующем: необходимо выяснить, окажет ли
проведенная модификация влияние на характеристики ЭМС, и если это
так, то выпустить вновь декларацию для нового аппарата. Однако
это потребует произвести новые испытания модифицированного
аппарата, что будет сопровождаться затратой средств. Вы можете
привлечь определенные технические обоснования к решению вопроса о
том, окажут ли влияние на характеристики ЭМС малые изменения
при модификации аппарата. Какие либо рекомендации общего
характера по этому вопросу отсутствуют, но следует исходить из того,
что широта требований Директивы ЭМС означает, что лишь
немногие малые модификации конкретного аппарата не будут оказывать
влияние на его характеристики ЭМС.
1.2.4.2. Подписывающая сторона
Лицо, уполномоченное для подписи декларации о соответствии,
не обязательно должно быть в состоянии компетентно обсуждать
технические детали того аппарата, соответствие которого
декларируется. Как правило, таким лицом является один из директоров
54 Введение
производственной или импортирующей компании. В малых
компаниях технический директор будет, вероятно, в достаточной степени
знаком с конкретным изделием, чтобы детально разобраться в его
характеристиках ЭМС, но на предприятиях среднего и крупного
размера директора все больше и больше будут полагаться на
технические советы инженеров разрабатывающих и производственных
подразделений или специалистов, осуществляющих испытания
и менеджмент в области ЭМС. Для таких компаний следовало бы
четко определить уровень ответственности для каждого работника,
имеющего отношение к подготовке декларации о соответствии.
1.2.4.3 Технические требования
Ссылка на технические требования, на основании которых
декларируется соответствие, не означает с необходимостью, что вы
должны осуществить испытания продукции по этим техническим
требованиям. В данном случае очевидны три возможности.
Во-первых, вы можете полагать, что конкретному аппарату внутренне
свойственно соответствие требованиям Директивы ЭМС, и поэтому
нет нужды в его испытаниях. Примером может служить простой,
линейный нерегулируемый источник питания, используемый
автономно, мощность которого такова, что в осуществлении контроля
гармонических токов нет необходимости. Ставя условием подписи
наличие компетентного обоснованного суждения по указанном
вопросу, нет, следовательно, причин не издать, исходя из этого,
обоснованную декларацию о соответствии. Однако использовать этот
путь для большинства электронных аппаратов не представляется
возможным.
Во-вторых, вы имеете возможность издать декларацию о
соответствии, основываясь на результатах ранее проведенных
испытаний. Если, например, вы уже обеспечили соответствие требованиям
существующих негармонизированных стандартов, то можете в
достаточной степени быть убеждены, что аппарат будет отвечать
и соответствующим требованиям гармонизированных стандартов.
При этом в дополнительных испытаниях нет необходимости или
необходимы лишь частичные испытания.
В последнем случае вы можете провести полный комплект
испытаний на соответствие требованиям гармонизированных стандартов
или выбрать путь подготовки технического файла конструкции.
Для сложных аппаратов эти действия могут быть длительными,
дорогостоящими и потребовать некоторых сложных выводов о том,
какие испытания должны быть проведены, особенно если соответ-
ЭМС для разработчиков продукции 55
ствующие стандарты отсутствуют. Для новых аппаратов, однако,
проведение испытаний является существенным.
Существует, конечно, возможность вообще не проводить
испытания. Для этого нужно подготовить декларацию о соответствии,
нанести знак соответствия СЕ и надеяться, что никто ничего не
заметит. Компании, дорожащие своей репутацией, конечно, не пойдут
по этому лути, но возможность применения этого способа
конкурирующими компаниями существует, что должно учитываться при
определении вашей позиции на рынке.
1.2.5 Оценка качества при производстве
Директива ЭМС распространяется на каждое отдельное,
физически существующее конечное изделие, но было бы непрактично
испытывать каждый образец изделия при серийном производстве по
всем характеристикам ЭМС, что могло бы явиться наиболее полным
вещественным доказательством соответствия требованиям
Директивы. В самой Директиве ЭМС не указаны какие-либо процедуры
оценки системы качества изготовителя, хотя «Руководящие
принципы по применению Директивы» напоминают изготовителям об их
ответственности за постоянное обеспечение соответствия продукции
при производственном процессе. Процедуры оценки соответствия
для всех директив, касающихся технической гармонизации,
установлены в Директиве Совета ЕС 90/683/EEC [167J. Эта Директива
содержит совокупность модулей, в том числе включающих оценку
системы качества изготовителя, которые могут быть применены при
разработке каждой конкретной Директивы. Однако з Директиве
ЭМС отсутствуют ссылки на указанную Директиву и,
следовательно, вопросы, относящиеся к оценке системы качества изготовителя,
остались до некоторой степени открытыми.
1.2.5.1 Контроль продукции
Руководящий документ Европейской комиссии [166]
устанавливает, что «изготовитель принимает все необходимые меры для того,
чтобы убедиться, что производственный процесс обеспечивает
соответствие изготовленных изделий всем применимым требованиям по
защите, установленным в Директиве, как указано в декларации о
соответствия». Вместе с тем специальные указания о том, каковы
могут быть указанные меры, не приведены ни в одной Директиве
или Решении Совета.
56 Введение
Схемы оценки результатов испытаний образцов, установлен-
ные СИСПР
Комитет по стандартизации СИСПР (см, раздел 2.1.1.2) задолго
до принятия Директивы ЭМС признал необходимость определенной
формы испытаний образцов, обеспечивающей качество изделий при
производственном процессе и ввел схемы оценки результатов
испытаний образцов в стандарты» устанавливающие нормы эмиссии
помех» которые явились основой европейских стандартов БН 55011,
ЕН 55014 и J3H 55022. Цель установления этих схем заключается в
том, чтобы обеспечить такое положение, когда по крайней мере 80%
серийно изготовленных изделий отвечали бы нормам эмиссии помех
с уровнем достоверности не менее 80% (так называемое «правило
80/80»).
Первая схема требует проводить измерения действительного
уровня эмиссии помех при использовании от 3 до 12 идентичных
образцов изделий с последующим определением среднего значения и
стандартного отклонения результатов испытаний.
В этом случае соответствие норме L оценивается с
использованием следующего соотношения:
L> x+k sn. l.l
где х — среднее арифметическое значение результатов измерений
эмиссии помех по выборке; Sn — стандартное отклонение
результатов измерений; k — коэффициент из таблиц нецентрального
^-распределения» значение которого изменяется в зависимости от
объема выборки от 2,04 до 1,2.
Если измеренные уровни эмиссии помех близки для всех
выбранных образцов (малое значение Sn), будет достаточен малый
запас между измеренными значениями и нормой эмиссии помех; но
если они сильно различаются, необходим большой запас. Эта схема
обработки результатов испытаний применима только к измерениям
эмиссии помех и не применима при испытаниях на
помехоустойчивость.
Вторая схема, применимая как к испытаниям на помехоэмис-
сию, так и к испытаниям на помехоустойчивость, основывается на
фиксировании недостатков, отмечаемых при испытаниях образцов
(нарушений функционирования при испытаниях на
помехоустойчивость или превышений допустимых уровней помех при испытаниях
на помехоэмиссию). Соответствие подтверждается при условии, что
число образцов, уровень помехоустойчивости которых оказывается
ниже допустимого предела, или число образцов, уровень эмиссии
ЭМС для разработчиков продукции
57
помех от которых оказывается выше допустимого предела, не будет
превышать для выборки объема п величины с, указанной в
приведенной ниже таблице. Указанная схема оценки результатов
испытаний основывается на биномиальном распределении и находится в
соответствии с «правилом 80 / 80».
п
с
7
0
14
1
20
2
26
3
32
4
Как схема, рассмотренная выше, так и схема, приведенная в
опубликованных европейских стандартах, устанавливающих
нормы эмиссии помех, применимы для оценки соответствия изделий
требованиям ЭМС при единичной выборке. Однако в этом случае
необходимо рекомендовать проводить время от времени испытания на
образцах, отобранных случайным образом в процессе производства.
Решение о запрете на продажу может быть принято только по
результатам испытаний, проведенных с использованием первой либо
второй схемы оценки.
1.2.6 Системы и установки
Особенно спорной областью является применение Директивы
ЭМС к двум или большему числу образцов аппаратов, купленных
вместе или установленных и функционирующих совместно. Ясно,
что Директива ЭМС применяется для систем или установок.
«Руководящие принципы по применению Директивы», изданные
Европейской комиссией [166], определяют систему как комбинацию
нескольких образцов аппаратов, объединенных одним и тем же
лицом (изготовителем системы), которые подлежат размещению на
рынке для распространения в качестве единого функционального
блока для конечного пользователя и предназначены для совместной
установки и совместного функционирования с целью выполнения
определенной задачи. Установка определяется как комбинация
нескольких образцов аппаратов или систем, собранных в данном месте
для совместного функционирования в предусмотренной
электромагнитной обстановке для выполнения определенной задачи, но не
предназначенных для размещения на рынке в качестве функциональной
или коммерческой единицы. Стационарные установки не могут
«обладать свободным перемещением» в пределах Европейской
экономической зоны, в противоположность системам (или подвижным
установкам, которые имеют такую возможность). Следовательно,
типичной системой следует считать рабочую станцию, состоящую
58 Введение
из персонального компьютера» монитора» клавиатуры» принтера и
других периферийных устройств. Бели указанные блоки были
проданы по отдельности, они должны быть испытаны и
сертифицированы по отдельности; если же они проданы» как единая система» они
должны быть испытаны я сертифицированы, как единая система.
Любая другая комбинация образцов аппаратов, не
предназначенная для размещения на рынке в качестве коммерческой единицы,
должна рассматриваться не как система» но как установка.
Примерами установок следует считать компьютерные залы» телефонные
станции и телевизионные студии. К каждому образцу аппаратов в
составе установки положения Директивы ЭМС применяются по
отдельности с учетом специфических условий установки. Применение
положений Директивы ЭМС для систем и установок более детально
обсуждается в [24].
Указанная интерпретация» пока она действует» является
полезной, поскольку она делает возможным осуществления испытаний
и сертификации установок на основе того» что каждый компонент
установки отвечает по отдельности установленным требованиям.
При этом трудности, которые возникают при проведении испытаний
больших установок на месте эксплуатации на соответствие
требованиям стандартов, разработанных без должного учета особенностей
установок, преодолеваются с большими усилиями. Следует также
отметить, что если в составе установки имеется большое число
идентичных или подобных компонентов, то испытания действительно
необходимы лишь для одного иа указанных компонентов.
1.2.6.1 Большие системы
Приведенное выше определение понятия «система», к
сожалению, не помогает изготовителям систем, которые будут
♦размещаться на рынке», т.е. поставляться их покупателям по контракту,
как отдельные установки (собираемые в определенном месте для
совместного функционирования в предусмотренной
электромагнитной обстановке), изготовленные из отдельных образцов аппаратов,
но в действительности продаваемые на рынке в качестве
функциональной единицы. Контракты многих промышленных предприятий
и предприятий коммерческой сферы и общественного пользования
относятся именно к этой категории. В соответствии с
опубликованной интерпретацией установки такого рода следует рассматривать
в качестве систем и, следовательно, оценивать их соответствие
требованиям Директивы ЭМС в составе системы. Существующее в
настоящее время положение таково, что отсутствуют стандарты ЭМС,
ЭМС для разработчиков продукции 59
специально распространяющиеся на большие системы, т.е. на такие
системы, для которых испытания на месте эксплуатации
непрактичны, хотя некоторые стандарты» относящиеся к области эмиссии
электромагнитных помех, допускают проведение указанных
измерений. Измерения уровней эмиссии помех в этом случае сами по себе
сомнительны вследствие того, что трудно отделить внешние помехи
в пункте измерений от помех, создаваемых установкой, а также
вследствие разнообразия физических условий, связанных с
установками, приводящих к возникновению отражений и стоячих волн,
искажающих результаты измерений. Кроме того, в стандартах,
относящихся к испытаниям на устойчивость к электромагнитным
помехам, положения, касающиеся больших систем, отсутствуют.
Следовательно, единственным путем к достижению соответствия,
который может быть применен изготовителями систем в настоящее
время, является подготовка технического файла конструкции (см.
раздел 1.3.2), но руководящих указаний о том, как в этом случае
следует интерпретировать существенные требования Директивы
ЭМС, крайне мало.
Принципиальное затруднение в применении требований
Директивы ЭМС к установкам, собранным на месте эксплуатации,
заключается в том, что осуществление узаконенного комплекта
испытаний является затруднительным, но природа явлений ЭМС
такова, что осуществление лишь отдельных испытаний составных
частей установки, без учета их взаимосвязи, бессмысленно. В этой
связи к настоящему времени прояснились две возможности,
относящиеся к достижению соответствия путем подготовки технического
файла конструкции. Первая из них основывается на том, что
система собирается из индивидуальных элементов, каждый из которых
по отдельности соответствует требованиям Директивы ЭМС, причем
метод их монтажа следует инструкциям поставщика,
составленным таким образом, чтобы это соответствие не нарушалось. В этом
случае в техническом файле конструкции следует приводить
соответствующие установочные чертежи, схемы и рабочие инструкции,
свидетельствующие о том, что соответствие не нарушено. Один из
примеров документации поставщика приведен в брошюре
«Разработка руководства пользователя по установке и обеспечению ЭМС»
[79], хотя этот документ содержит неутешительные утверждения
типа:
Если требуется обеспечить соответствие требованиям стандартов в области по-
мехоэмиссии либо оно является обязательным, радиочастотные измерения будет
необходимо проводить применительно к полностью собранной установке
60 Введение
Альтернативным способом является осуществление
ограниченных испытаний в процессе монтажа установки на месте
эксплуатации с тем, чтобы показать ее соответствие требованиям ЭМС.
Так как осутцествление ограниченных испытаний не исчерпывает
указанный вопрос полностью, следовало бы скомпенсировать этот
недостаток путем представления большего объема документации, в
том числе в форме матриц, характеризующих опасности, связанные
с электромагнитной несовместимостью, и обоснований соответствия
требованиям ЭМС, включая обоснование состава проведенных
испытаний.
С целью устранения недостатков методов измерений излучаемой
номехоэмиесии применительно к большим телекоммуникационным
системам был опубликован стандарт ЕТСИ ETC 300127 [142].
Указанный стандарт разрешает проводить на открытой испытательной
площадке испытания представительных систем, включающих
минимальный состав элементов. Испытуемая система содержит по
меньшей мере один образец элементов каждого тина, из числа тех,
которые будут включены в действующую систему, и охватывает
минимальную конфигурацию (включая линии интерфейсов) любой
системы, которая предлагается для продажи. Особое внимание в
указанном стандарте уделено рассмотрению расположения кабелей
испытуемой системы. Испытания представительных систем
используются для подтверждения соответствия. При этом характеристики
ЭМС новых функциональных модулей, которые используются для
замены прежних модулей, должны быть оценены. В соответствии
с указанным стандартом представительная система продолжает
соответствовать требованиям ЭМС, если функциональные модули
заменяются новыми функциональными модулями, которые имеют
уровень эмиссии, равный или меньший уровню эмиссии прежних
модулей. Такой подход вполне может быть рекомендован для
отраслей промышленности, иных, чем сектор телекоммуникаций, и
изготовителям систем в других отраслях промышленности следует
настоятельно посоветовать изучить этот стандарт. Раздел,
содержащий указанное положение, был рекомендован в качестве
Изменения ЕН 55022.
Возможно, что в некоторые передвижные установки,
изготовленные по индивидуальным требованиям заказчика, будет необходимо,
до их поставки изготовителем, внести некоторые изменения с
учетом конкретных условий эксплуатации. В этом случае указанные
установки могут не подлежать испытаниям и сертификации, но,
однако, необходимо, чтобы установки удовлетворяли требованиям
ЭМС для разработчиков продукции 61
по защите, установленным Директивой ЭМС» Пользователь
является ответственным за проведение любых необходимых мероприятий,
если применение установки приводит, из-за создаваемых помех, к
нарушению функционирования другого оборудования.
1.2.7 Выполнение, принуждение и санкции
Государства — члены ЕС не могут по обстоятельствам,
связанным с ЭМС, препятствовать свободному перемещению аппаратов, на
которые распространяется действие Директивы ЭМС и которые
отвечают ее требованиям, когда соответствующим образом
установлены, содержатся в исправности и используются по назначению. Они
должны считать доказанным, что те аппараты, которые
маркированы знаком соответствия СБ и которые соответствуют требованиям
применимых в данном случае стандартов или для которых
существует технический файл конструкции, фактически соответствуют
требованиям Директивы ЭМС по защите, если только
противоположное не является очевидным.
С другой стороны, от государств-членов требуется обеспечить
такой режим, чтобы оборудование, относительно которого стало
известно о его несоответствии требованиям Директивы ЭМС, не было
размещено на рынке или введено в эксплуатацию, и принять
необходимые меры к тому, чтобы удалить аппараты, несоответствующие
требованиям Директивы, с рынка. В связи с этим каждое
государство-член обязывалось ввести в силу к 1 июля 1991 г. законодатель-
вые акты, которые переводят требования Директивы в категорию
национальных правовых норм. В Соединенном Королевстве этот
временной график был несколько сдвинут вследствие
необходимости прояснить некоторые положения Европейской комиссии, и
поэтому государственный акт, обеспечивающий выполнение
Директивы ЭМС, не был опубликован до октября 1992 г. [170]. Для
английских законодательных актов обычным является всесторонняя
интерпретация требований директив Европейского союза, в то время
как в других европейских странах существует тенденция придавать
обязательным предписаниям более общий характер.
В Соединенном Королевстве режим принуждения [170], [84]
включает выпуск «запретительных уведомлений» и
«уведомлений о временной приостановке», которые запрещают поставку
или использование определенного оборудования, относительно
которого соответствующие органы государственной власти имеют
уверенность о его несоответствии требованиям Директивы ЭМС,
Уведомления могут привести к немедленному результату или не
62 Введение
иметь немедленного эффекта в зависимости от срочности вопроса.
Процедура апелляции позволяет лицам, получившим уведомление,
подготовить установленным порядком представление о его отмене.
Соответствующие органы государственной власти могут также
обратиться в суд с просьбой принять решение о конфискации аппарата
и его последующем уничтожении, модификации или перемещении
в другое место. При этом должностные лица соответствующих
органов государственной власти могут иметь право доступа в помещения
и изъятия аппаратов и документов.
1.2.7.1 Нарушения
Законодательство по вопросам ЭМС включает наложение
санкций, как и за уголовные преступления. Но учитывая, что принять
решение о том, соответствует аппарат установленным требованиям
или нет, достаточно трудно, законодательство Соединенного
Королевства не рассматривает поставку или использование
оборудования, не соответствующего установленным требованиям, как
нарушение закона, всегда имеющее уголовный характер. Как правило,
нельзя ожидать, что пользователи аппаратов и розничные торговцы
могут знать о том, соответствуют или не соответствуют
установленным требованиям относящиеся к делу аппараты. Вместе с тем
следует рассматривать некоторые нарушения закона в сфере обеспечения
ЭМС как уголовные преступления, например, в целях защиты от
неправильного использования знака соответствия СБ, или при
предоставлении неправильной или вводящей в заблуждение информации
в компетентные или заявленные органы, а также при наложении
штрафа за нарушение «запретительных уведомлений».
1.2.7.2Практика
Важнейшее значение имеют два вопроса: как меры принуждения
к выиолнению требований Директивы ЭМС действуют на практике
и являются ли указанные меры принуждения эквивалентными во
всех государствах — членах Европейского союза (т.е. одинаков ли
так называемый «уровень поля для игры»). Эти вопросы
непосредственно связаны с объемом средств, которые национальные
правительства готовы выделить для решения вопросов, касающихся
электромагнитной совместимости.
Департамент торговли и промышленности Соединенного
Королевства отметил, что усилия, прикладываемые им для
принуждения к выполнению требований Директивы ЭМС, привели
к усилению подачи жалоб. Если при этом жалобы, касающиеся
ЭМС для разработчиков продукции 63
воздействия помех, были связаны с практическим
использованием аппаратов, то принуждение к выполнению требований
Директивы ЭМС открыло путь для жалоб на несоответствие
аппаратов требованиям ЭМС, независимо от того, существуют или нет
проблемы при их практическом использовании. Возможным
источником указанных жалоб могут, следовательно, являться
промышленные компании, испытывающие образцы аппаратов своих
конкурентов. Бели такие компании находят, что испытанные
аппараты не соответствуют требованиям ЭМС, то они могут
«продать» эту информацию органам государственной власти»
Вероятно, что жалобы такого рода будет необходимо считать серьезными
уликами при принятии решений о несоответствии определенной
продукции требованиям ЭМС, к которым органам
государственной власти следует относиться серьезно,
С другой стороны, органы государственной власти Германии
пришли к выводу о необходимости получения информации от
рынка в форме случайных одиночных проверок для того, чтобы
реагировать на нарушения [109]. Прежде в Германии существовал строгий
режим контроля эмиссии радиочастотных помех, основывающийся
на обязательных стандартах VDE, причем указанные стандарты
были более жесткими, чем стандарты ЕН, которые в настоящее
время используются при доказательстве соответствия
оборудования требованиям Директивы ЭМС. Органы государственной власти
Германии обеспокоены тем, что Директива ЭМС может ослабить
эффективность ранее существовавшего режима контроля эмиссии
помех, и будут настаивать на том, чтобы меры принуждения были
усилены.
Очевидно, что различия в практике принуждения к
выполнению требований Директивы ЭМС, существующие в государствах
— членах Европейского союза, противоположны той цели, для
выполнения которой была принята Директива, а именно цели
уменьшения технических барьеров в торговле. Статья 9
Директивы ЭМС предусматривает, что «в тех случаях, когда государство-
член устанавливает, что аппараты, исследованные с применением
одного из методов аттестации, не соответствуют требованиям по
защите»., оно должно принять все необходимые меры для удаления
этих аппаратов с рынка, предотвращения их попадания на рынок
или для ограничения их свободного перемещения». Государство-
член должно немедленно информировать Комиссию о принятии
подобных мер. Если Комиссия погле консультаций приходит к
выводу, что действия были оправданы, то она должна сразу же про-
64 Введение
информировать об этом государство-член, принявшее указанные
меры, а также другие государства-члены. Соответствующее
государство-член должно предпринять необходимые действия против
органа, осуществившего аттестацию, и информировать Комиссию
и другие государства-члены по существу вопроса.
Таким образом, любое государство — член ЕС может принять
немедленные меры для удаления с собственного рынка аппаратов, не
соответствующих требованиям Директивы ЭМС. Однако санкции
против компании, разместившей аппараты на рынке другого
государства — члена Европейского союза, зависят от осмотрительности
Комиссии и от практики принуждения к выполнению требований
Директивы ЭМС, существующей в остальных государствах-членах.
1.2.7.3 Интерпретации
Как уже было отмечено, Директива ЭМС имеет столь широкую
область применения, что многие ее положения нуждаются в
объяснении. Можно было ожидать» что указанные объяснения будут
даны Европейской комиссией или национальными органами
государственной власти, отвечающими за выполнение требований
Директивы ЭМС, но получить ответы на детально поставленные
вопросы, касающиеся толкования Директивы, от указанных органов
власти оказалось исключительно трудно, особенно там, где вопросы
содержали некоторые технические аспекты. Значительную помощь
в интерпретации положений Директивы оказали «Руководящие
принципы по применению Директивы», но они не охватили многих
трудных для понимания технических вопросов.
В Соединенном Королевстве была образована группа, известная
как Ассоциация испытательных лабораторий ЭМС (EMCTLA), с
основной задачей обеспечить приемлемое единообразие подходов
различных компетентных организаций к оценке технических
файлов конструкции. Внутри организации была создана рабочая
группа, которая несет ответственность за толкование вопросов,
касающихся выполнения требований Директивы ЭМС. Указанная группа
организовала выпуск технических руководств, которые имеют
достаточно широкое распространение и образуют основу для
единообразной интерпретации положений Директивы. Эти технические
руководства имеются в наличии в компетентных органах, а также в
Клубе ЭМС, который был создан промышленными компаниями
Соединенного Королевства для того, чтобы иметь возможность обмена
опытом. Ассоциация испытательных лабораторий ЭМС
способствовала созданию Европейской ассоциации компетентных органов,
ЭМС для разработчиков продукции
65
цель которой заключается в распространении указанных
единообразных подходов внутри Европейского союза.
1.2.7.4 Национальные требования
В Таблице 1.2 приведены подробные сведения о существующем
состоянии Директивы ЭМС, включая изменения к ней, а также о
государственных актах Соединенного Королевства, которые переводят
требования Директивы в категорию национальных правовых норм.
В таблице 1.3 перечислены предписания, вводящие положения
Директивы ЭМС в других странах, и кроме того, насколько это
возможно, указаны требования ЭМС, применяемые в странах, не
входящих в Европейский союз.
Таблица 1.2 Государственные акты Соединенного Королевства, вводящие
положения Директивы ЭМС
Государственные акты Соединенного
Королевства
Государственный акт 1992 г. № 2372
Предписания по электромагнитной
совместимости
Государственный акт 1994 г. №3080
Предписания по электромагнитной
совместимости (изменение)
i
Директивы
89/336/ЕЕС (Директива ЭМС) с изменениями,
введенными при издании директив;
92/31/ЕЕС (изменение Директивы ЭМС);
91/263/ЕЕС (Директива об оконечном
телекоммуникационном оборудовании);
93/68/ЕЕС (Директива о маркировании знаком
СЕ);
93/97/ЕЕС (Директива о наземных станциях
спутниковой связи);
93/42/ЕЕС (Директива о медицинских изделиях). ,
Таблица 1.3 Национальные предписания в области ЭМС [28]
Страна
Предписания
Европейский союз
Австрия
Дания
Финляндия
Франция
Германия
Италия
Люксембург
Нидерланды
Португалия
EMVV 1993 + 1995
Law 475 and Order 475 введен в силу в июле 1994
MTi Decision № 1696-93
Decree 92-587+ 95-283 введен в силу 13 марта 1994
EMC law, введен в силу 10 ноября 1992
Decree 476, 4 декабря 1992
Regulation of the Grand-Duche, 21апреля 1993
Besluit van 14-8-95, Staatsblad № 387 + Staatscourant 163,
24 августа 1995
Decree law 74/92, апрель 1992, Edict 767-A/93, август 1995
66
Введение
Испания
Швеция
Real Decreto № 444/1994,11 марта 1994
Act on EMC SFS 1992:1512, Regulation EISA - FS 1993:15 + 1994.2
Европейское экономическое пространство
Норвегия
Исландия
Предписания для электрического оборудования, январь 1993
Предписания по ЭМС № 146/1994,28 февраля 1994
Другие страны
Австралия
Япония
США
Агентство управления спектром, через общие стандарты
VCCI, через стандарты СИСПР
Правила ФКС
1.3 Соответствие Директиве ЭМС
Существенные требования, сами по себе, имеют слишком
общий характер, чтобы позволить изготовителям непосредственно
декларировать соответствие изделий указанным требованиям.
Поэтому статья 10 Директивы ЭМС предоставляет изготовителям
возможность выбрать различные пути достижения соответствия
(рис. 1.3).
1Технический файл
Самосертификация
(Статья 10.1)
М применяет
гармонизированное или
согласованные
национальные стандарты
конструкции
{Статья Ю.2)
И готовит технический
файл конструкции
Компетентный орган
рецензирует технический]
файл конструкции,
выпускает технический
'отчет или сертификат
М состаалиет декларацию
о соответствий и наносит
знак соответствия СЕ
на рынке
Mfc изготовитель, уполномоченный представитель
в государствах-членах Европейского Союза
или лицо, которое размещает аппарат на рынке
Европейского Союз»
Рис. 1,3 Пути к достижению соответствия
1.3.1 Самосертификация
Путь* которым, как ожидается, будет следовать большинство
изготовителей, представляет собой самосертификацию по
требованиям гармонизированных стандартов ЭМС. Гармонизированные стан-
ЭМС для разработчиков продукции 67
дарты ЭМС — это стандарты, разработанные СЕНЕЛЕК или ЕТСИ,
сведения о которых были приведены в Официальном журнале
Европейских сообществ (ОЖ). В Соединенном Королевстве указан*
ные гармонизированные стандарты публикуются как стандарты с
двойным обозначением — BS EN.
С точки зрения изготовителя, потенциальным преимуществом
самосертификации продукции на соответствие требованиям
гармонизированных стандартов является то» что при этом отсутствует
обязательное требование о проведении испытаний в независимой
испытательной лаборатории. Единственным требованием является
подготовка изготовителем декларации о соответствии (см. раздел
1.2.4)» содержащей ссылки на стандарты, соответствие которым
требуется обеспечить. Конечно, производственная компания
обычно будет нуждаться в проведении испытаний, и это может быть
осуществлено в самой компании. Вместе с тем многие компании не
будут иметь достаточного опыта и возможностей для
самостоятельного осуществления этих испытаний и, следовательно, не будут
иметь другого выбора, кроме передачи своих изделий в
независимую испытательную лабораторию. Этот вопрос обсуждается ниже,
в разделе 1.3.4. Однако долговременная задача каждой
производственной компании заключается в том, чтобы сконцентрировать
знания в области конструирования изделий с учетом требований
ЭМС и проведения соответствующих испытаний в департаментах
развития или обеспечения качества компании, которые в
настоящее время, в части вопросов ЭМС, находятся еще в состоянии
неподвижности. Это позволит компетентно решать вопросы о том,
какие стандарты применимы к изготовляемым фирмой изделиям,
так что перспективы самосертификации на соответствие
требованиям ЭМС будут не более устрашающими, чем ответственность за
проведение функциональных испытаний изделий перед их
отгрузкой.
1.3.2 Технический файл конструкции
Второй путь к достижению соответствия требованиям
Директивы ЭМС, которому может следовать изготовитель или импортер,
заключается в том, чтобы подготовить технический файл
конструкции. Указанный документ должен находиться в расположении
соответствующего компетентного органа государственной власти с
момента, когда аппарат размещен на рынке, и еще в течение 10 лет
после того, как последний образец изделия, к которому он
относится, был продан. Директива ЭМС устанавливает» что технический
68 Введение
файл конструкции должен характеризовать аппарат» установить
процедуры» которые были использованы для обеспечения
соответствия требованиям по защите и содержать технический отчет или
сертификат, полученный от компетентного органа.
Цель применения технического файла конструкции
заключается в том, чтобы предоставить изготовителю возможность доказать
соответствие требованиям Директивы ЭМС в том случай, когда
гармонизированные или согласованные национальные стандарты
отсутствуют» или когда имеющиеся стандарты можно применить
лишь частично, или в случае, еели изготовитель полагает
нецелесообразным, исходя из собственных соображений, применять
действующие стандарты. Так как существуют общие («generic») стандарты,
которые предназначены для применения именно в тех случаях,
когда отсутствуют или лишь частично имеются гармонизированные
и согласованные национальные стандарты, то применение
технического файла конструкции будет наиболее вероятным при
следующих обстоятельствах:
♦ когда действующие стандарты не могут быть применены
вследствие особенностей аппарата или вследствие того, что в
конструкции аппарата использованы передовые технологии, не
учитываемые в действующих стандартах;
♦ когда испытания следует считать непрактичными из-за
значительных размеров аппарата, или его взаимосвязи с другими
аппаратами, или из-за того, что одновременно изготовляется
большое число в основном подобных вариантов конструкции;
♦ когда гармонизированные стандарты существуют, но
изготовитель решил применить их лишь частично;
♦ когда аппарат уже был испытан на соответствие стандартам,
которые не являлись гармонизированными или
согласованными, но которые тем не менее позволяют сделать обоснованный
вывод о соответствии существенным требованиям.
1.3.2.1 Содержание
Департаментом торговли и промышленности Соединенного
Королевства был разработан руководящий документ [171],
предназначенный для того, чтобы установить необходимый уровень детализации
сведений, включаемых в технический файл конструкции.
Одновременно этот документ определяет, при каких обстоятельствах может
быть использован технический файл конструкции, а также
основные требования к его содержанию. Эти требования следующие:
ЭМС для разработчиков продукции 69
♦ идентификация аппарата (которая может представлять собой
серию вариантов);
• техническое описание аппарата;
• технические пояснения процедур, использованных для оценки
соответствия;
* подробные сведения об элементах конструкции, важных для
обеспечения ЭМС;
* данные об испытаниях (при их проведении);
♦ отчет или сертификат, выданный компетентным органом.
Технический файл конструкции может содержать результаты
проведенных испытаний, а может и не включать их. Критическое значение
имеет технический отчет или сертификат, выданный компетентным
органом. Именно он отличает рассматриваемый способ достижения
соответствия от способа, основанного на самосертификации. Существенное
различие между ними заключается в том, что от вас требуется получить
независимое квалифицированное суждение, подтверждающее вашу
уверенность в том, что изделие отвечает существенным требованиям
Директивы ЗМС. Компетентный орган должен изучить технический
файл конструкции, проверить объяснения к способам обеспечения ЭМС
изделия и проверить результаты испытаний (если они проводились). В
результате этой работы может быть подготовлен либо технический
отчет, либо сертификат, причем оба этих документа имеют одинаковую
силу. Если при изготовлении изделия были частично применены
гармонизированные стандарты, то технический файл конструкции необходим
для того, чтобы подтвердить соответствие требованиям Директивы ЭМС
только в той части, где указанные стандарты неприменимы.
1.3,2.2 Технический файл конструкции и стандарты
Использование рассматриваемого способа достижения
соответствия может быть потенциально частым в тех случаях, когда
испытания на помехоэмиссию проводятся в соответствии с
гармонизированными стандартами, а применительно к испытаниям на
помехоустойчивость принимается решение о том, что существующие
стандарты недостаточно ориентированы на конкретное изделие и
для подтверждения соответствия необходимо подготовить
технический файл конструкции. С другой стороны* вы можете решить, что
нецелесообразно прилагать усилия для испытаний, связанные с
неопределенными затратами времени и средств, применительно к тем
электромагнитным явлениям, относительно которых можно сделать
вывод, что эти явления но создают проблем при практическом при-
70 Введение
менении аппарата. Если вы сможете убедить компетентный орган,
что это именно тот случай, то технический файл конструкции и
связанный с ним технический отчет должны лишь подтвердить это
обстоятельство. Хотя технический файл конструкции предназначен
для использования в тех случаях, когда существующие стандарты
неприменимы, компетентные органы, которые выпускают
технические отчеты или сертификаты, на практике всегда будут
принимать во внимание существующие стандарты и установленные в них
предельные уровни и методы испытаний для того, чтобы вынести
решение о том, отвечает ли оборудование существенным
требованиям. В этой связи необходимо тесное рабочее взаимодействие между
изготовителем и компетентным органом, который им выбран,
причем указанное взаимодействие должно быть организовано перед
началом подготовки технического файла конструкции. Уровень
знаний, опыта и квалификации, необходимый для компетентного
органа, обсуждается в разделе 1.3.4.
1.3.3 Радиопередатчики и оконечное
телекоммуникационное оборудование
В статье 10 Директивы ЭМС приведено положение, в соответствии
с которым радиопередатчики (которые в ряде случаев могут быть
отнесены также к оконечному телекоммуникационному
оборудованию, например радиопередатчики систем сотовой связи) подлежат
специфическим типовым испытаниям в области ЭМС с выдачей
заявленным органом сертификата по результатам проведения
указанных испытаний. При этом следует учитывать, что заявленный орган
отличается от компетентного органа. После введения в силу
Директивы о радио- и телекоммуникационном оконечном оборудовании
(раздел 1.2.1.2) для радиопередатчиков, радиоприемников и
телекоммуникационного оконечного оборудования установлены другие
пути к достижению соответствия требованиям ЭМС, отличающиеся
от тех, что установлены для аппаратов в Директиве ЭМС, так как
соответствие должно подтверждаться применительно к требованиям
различных директив.
Отличие процедур оценки соответствия, установленных
Директивой о радио- и телекоммуникационном оконечном оборудовании,
иллюстрировано на рис. 1.4.
Применение этих процедур изменяется в зависимости от того,
относится ли оборудование к телекоммуникационному терминалу или
к радиооборудованию. При этом для приемных частей
радиооборудования применяются такие же процедуры, как и для телекомму-
ЭМС для разработчиков продукции 71
никационного оборудования* В обоих случаях, установленных в
приложениях ii и Ш Директивы о радио- и телекоммуникационном
оконечном оборудовании, не существует безусловного требования о
привлечении заявленного органа. Специфические испытания в
области ЭМС, предусмотренные в приложении ш, должны быть
идентифицированы заявленным органом только в том случае, если они
не установлены в гармонизированном стандарте (стандартах) ЭМС.
Иными словами, указанные приложения полностью
предусматривают самосертификацию радиооборудования изготовителем.
Метод полной оценки системы качества изготовителя,
предусмотренный в приложении v, может быть удобным путем для больших
компаний — изготовителей радиооборудования, так как это един-
Приложения к Директиве, устанавливающие
процедуры оценки соответствия
ii Внутренняя проверка качества с использованием
технической документации
ш Приложение ii плюс специфические испытания
iv Приложение Ш плюс технический файл
конструкции, представляемый на рассмотрение в заявленный
орган
v Полная оценка системы качества изготовителя,
выполняемая заявленным органом
Приложения к Директиве, устанавливающие
применение процедур оценки соответствия
Телекоммуникационное оборудование: ii
(предпочтительно), iv или v
Радиооборудование при наличии
гармонизированных стандартов: Ш (предпочтительно), iv или v
Радиооборудование при отсутствии
гармонизированных стандартов: ГУИЛИУ
Рис. 1.4 Соответствие требованиям Директивы о радио- и телекоммуникационном
оконечном оборудовании
ственный путь» который позволяет избежать привлечения
заявленного органа при оценке соответствия радиотерминалов, испытания
которых не установлены в гармонизированных стандартах.
1.3.4 Испытания и компетентные органы
Каждому изготовителю необходимо представлять изделия для
проведения определенных испытаний в области ЭМС, чтобы быть
уверенным в их соответствии существенным требованиям
Директивы ЭМС. Исключениями могут являться лишь некоторые изделия,
применительно к которым очевидно, что они вследствие
конструктивных особенностей но способны создавать электромагнитные по-
72 Введение
мехи или быть восприимчивыми к ним (такие, как электрический
камин или карманный электрический фонарик). Методы
испытаний на соответствие требованиям ЭМС детально рассмотрены в
главах 3 и 4 настоящей книги. Для того чтобы охватить все
требования, установленные в современных стандартах, полный комплект
испытаний в области ЭМС должен включать испытания на эмиссию
гармонических составляющих тока, потребляемого из
электрической сети, на эмиссию кондуктивных и излучаемых
радиочастотных помех, а также испытания на устойчивость при воздействии
радиочастотных помех, переходных процессов, электростатических
разрядов и сетевых помех. Технические средства, обеспечивающие
проведение испытаний на соответствие установленным требовани
ям применительно ко всем указанным выше электромагнитным
явлениям, находятся за пределами финансовых возможностей всех
производственных компаний, за исключением наиболее крупных.
Для проведения испытаний необходимы не только экранированное
помещение, открытая испытательная площадка и различные
образцы испытательного оборудования, но необходим также персонал,
способный выполнять указанные испытания, что, в свою очередь,
требует такого уровня знаний, опыта и компетентности, который не
всегда обеспечен для персонала большинства отделок разработки
или испытаний. Большие производственные компании могут иметь
такой объем производства или такой наличный капитал, которые
оправдывают инвестиции (порядка 1 млн фунтов стерлингов) в
создание испытательных лабораторий ЭМС в самой компании. В
Европе существует несколько производственных компаний, которые уже
предприняли такие шаги. Бели они будут выдавать только
протоколы испытаний на соответствие требованиям гармонизированных
стандартов ЭМС, то не существует каких-либо внешних
ограничений для того, чтобы эти испытания проводились именно в
испытательном подразделении производственной компании. Если же им
потребуется получить статус компетентного органа, для того, чтобы
применять способ достижения соответствия путем подготовки
технического файла конструкции, то это также возможно при условии,
что будет проведена соответствующая аккредитация (см ниже).
1.3.4.1 Выбор способов организации испытаний
Производственные компании малого и среднего размера не будут
в состоянии создать свои собственные испытательные
подразделения для осуществления полномасштабных испытаний в области
ЭМС для разработчиков продукции 73
ЭМС. Поэтому выбор способов их действий является ограниченным
и может включать:
• создание консорциума равнозначных компаний с
объединением финансовых средств для создания объединенного
испытательного подразделения, которое будет осуществлять
испытания в интересах всех членов консорциума;
• использование независимой испытательной лаборатории ЭМС
для проведения испытаний на соответствие требованиям всех
стандартов;
• обеспечение в компании технических возможностей для
проведения упрощенных испытаний в области ЭМС с целью
предварительной проверки выполнения установленных требований
и использование независимой испытательной лаборатории для
проведения испытаний на соответствие.
Первый способ не нашел широкого распространения в
Соединенном Королевстве, хотя в ряде отраслей промышленности и
существуют прецеденты в виде кооперативных «исследовательских
клубов». Второй способ является затратным и имеет тот недостаток,
что практический опыт, приобретаемый при испытаниях ваших
собственных изделий, не будет передан в вашу компанию и
применен для будущих разработок. Затраты могут быть уменьшены,
если использовать для проведения предварительных проверок
продукции созданное в своей компании неаккредитованное
испытательное подразделение, оснащенное упрощенными средствами
испытаний, с тем чтобы полный комплект испытаний на
соответствие был проведен в аккредитованной испытательной лаборатории.
Необходимо отметить, что более предпочтительным является тесное
взаимодействие с одной определенной испытательной лабораторией
ЭМС, с которой у вас установились хорошие отношения, чем замена
испытательных лабораторий в будущем. К сожалению, природа
испытаний в области ЭМС такова, что проведение измерений
сопровождается значительными неопределенностями, вследствие чего
нет гарантии, что испытания, проведенные в одном испытательном
подразделении, будут иметь тот же результат, что и совершенно
идентичные испытания в другом. Это дает возможность
осуществлять достаточно циничную стратегию, заключающуюся в том, что
изделие, характеризующееся граничным состоянием соответствия
требованиям ЭМС, испытывается последовательно в нескольких
испытательных лабораториях, в одной из которых оно «проходит», что
оказывается дешевле, чем оптимизация конструкции изделия).
74 Введение
1.3.4.2 Испытания в своей компании
Проблема неопределенности измерений имеет прямое
отношение также к третьему способу, причем, возможно, в значительно
большей степени, так как предварительные проверки, как
правило, проводятся в неконтролируемой электромагнитной обстановке.
Следует учитывать, что стоимость оборудования, необходимого для
проведения таких проверок, даже учитывая их предварительный
характер, ни в коем случае не будет незначительной. Эта стоимость
может быть уменьшена за счет сдачи дорогостоящего
испытательного оборудования напрокат в приемлемое время, если график
загрузки позволяет это сделать. Еще один менее очевидный недостаток
заключается в том, что вы должны не только вложить средства в
испытательное оборудование и развертывание испытательного
подразделения, но обеспечить также подготовку привлекаемого персонала
и поддержание ее на необходимом уровне в условиях изменчивого
мира технических требований и методов испытаний в области ЭМС.
Что касается независимых испытательных лабораторий, то они
будут иметь современное оборудование, возможности и опыт (в
приемлемой степени).
Преимущество организации испытаний в собственной компании
заключается в том, что вы имеете возможность проводить
испытания на каждой стадии цикла конструирования и изготовления
изделия (см. раздел 9.2 в части контрольного плана ЭМС). При этом
процесс предварительных проверок изделия в области ЭМС поможет
постепенно привести к тому, что конструкторская группа будет
осведомлена не только о методах испытаний, но и об эффективности
различных конструктивных приемов, которые предпринимаются для
улучшения характеристик ЭМС. Это будет иметь большое значение
при осуществлении конструкторских разработок в будущем. Кроме
того, конструкторы будут работать при гораздо меньшем
напряжении, если у них имеется возможность провести испытания изделия,
внести в его конструкцию некоторые изменения и затем провести
повторные испытания, не учитывая те денежные средства, которые
будут потрачены в ходе указанного процесса.
Если изделие будет сертифицировано на соответствие
требованиям гармонизированных стандартов ЭМС и вы уверены в
возможностях и точности ваших собственных испытаний, то в привлечении
внешней испытательной лаборатории нет необходимости. Тем не
менее многие фирмы, и особенно их уполномоченные
представительства, которые подписывают декларацию о соответствии, могут быть
заинтересованы в получении независимого подтверждения соответ-
ЭМС для разработчиков продукции 75
ствия изделий требованиям ЭМС от организации, компетентность
которой в этой области является общепризнанной. Необходимость
независимого подтверждения соответствия иногда может быть
вызвана также коммерческими интересами. Следовало бы считать
правильным, чтобы для осуществления во внешней испытательной
лаборатории были выбраны испытания на соответствие нормам
радиочастотной эмиссии и на устойчивость к радиочастотным
помехам, в то время как испытания на устойчивость к переходным
процессам, электростатическим разрядам и низкочастотным сетевым
помехам были проведены в своей компании.
1.3.4.3 Компетентные органы
Если вы выбираете путь к достижению соответствия
требованиям Директивы ЭМС с использованием технического файла
конструкции, то в процесс подтверждения соответствия должен включиться
компетентный орган. Директива ЭМС устанавливает несколько
требований, которым должна отвечать любая организация, которая
желает получить статус компетентного органа, а именно:
• наличие персонала и необходимых средств и оборудования;
• техническая компетентность и профессиональное единство;
• независимость руководящего и технического персонала
относительно рассматриваемого изделия;
• сохранение персоналом профессиональной тайны;
• наличие обязательного гражданского страхования.
Аккредитация
Многие из этих требований подтверждаются путем
аккредитации, осуществление которой в Европе основывается на требованиях
европейских стандартов серии ЕН 45000 (в настоящее время эти
стандарты заменяются стандартом ИСО 17025). Указанные
стандарты устанавливают требования к организации и управлению,
калибровке и техническому обслуживанию средств испытаний,
процедурам и воспроизводимости измерений, записям и отчетам
об испытаниях, системам качества и компетентности персонала. В
Соединенном Королевстве организацией, осуществляющей
аккредитацию, является UKAS (Служба аккредитации Соединенного
Королевства). Важнейшей задачей в настоящее время является
взаимное признание аккредитации испытательных лабораторий,
действующих в европейских странах. Для решения указанной задачи
создана Европейская организация по испытаниям и сертификации
76
Введение
(БОТС). Европейские организации, на которые возложены задачи
аккредитации испытательных лабораторий (члены Европейского
сообщества по аккредитации, ЕА) перечислены в таблице 1.4.
Таблица 1.4 Европейские организации, ответственные за аккредитацию
испытательных лабораторий
Австрия
Бельгия
Дания
Финляндия
Франция
Германия
Греция
Исландия
Ирландия
Италия
Нидерланды
Норвегия
Португалия
Испания
Швеция
Швейцария
Соединенное Королевство
BmWa
BELTEST
DANAK
RNAS
COFRAC
DAB
ESYD
ISAC
NAB
SINAL
RvA
Justervesenet
JPQ
ENAC
SWEDAC
SAS
UKAS
Аккредитация является главным, но не единственным
требованием, выполнение которого необходимо для назначения организации
в качестве компетентного органа для подтверждения соответствия
требованиям Директивы ЭМС. В Соединенном Королевстве
компетентные органы были назначены Государственным секретарем по
торговле и промышленности, и Департамент торговли и
промышленности отмечает, что дополнительным требованием при назначении
компетентного органа является способность подготовить инженерное
заключение в отношении содержания технического файла
конструкции, что не относится к требованиям, которым должна удовлетворять
испытательная лаборатория, претендующая на аккредитацию.
Вместе с тем компетентные органы будут нуждаться в доступе к
адекватным средствам испытаний, и поэтому независимые консультанты
также могут получить статус компетентного органа, если они имеют
соглашение с испытательными организациями.
Компетентный орган должен находиться в пределах
Европейского союза» хотя после вступления в силу Соглашения ЕС / США о
ЭМС для разработчиков продукции 77
взаимном признании, статус компетентного органа могут получить
испытательные лаборатории США, Существует возможность
получения статуса компетентного органа испытательным
подразделением компании-изготовителя, полагая, что оно отвечает критериям
аккредитации и при этом может демонстрировать
административную независимость от тех подразделений компании, которые несут
ответственность за изделия» подлежащие испытаниям.
1.3.5 Стандарты
Предпочтительным путем к достижению соответствия
существенным требованиям Директивы ЭМС является
самосертификация (раздел 1.3.1). Возможность следовать этим путем зависит
от наличия стандартов, которые могут быть применены для
рассматриваемого изделия. Сведения о соответствующих стандартах
приведены в главе 2; в настоящем разделе будут рассмотрены лишь
общие вопросы, относящиеся к наличию и применимости
стандартов ОМС.
До принятия Директивы ЭМС разработка стандартов ЭМС
осуществлялась по отдельным направлениям и существующие
стандарты могли быть отнесены к нескольким категориям:
• стандартам в области радиочастотных помех, направленным
на защиту радиочастотного спектра от отдельных источников
радиопомех, таких как оборудование информационных
технологий, автотранспортные средства с двигателями внутреннего
сгорания, бытовые электрические приборы и люминесцентные
источники света;
• стандартам в области низкочастотных сетевых помех,
направленным на защиту низковольтных распределительных
электрических сетей от гармонических составляющих тока,
потребляемого электрическими изделиями, и от вызываемых
ими кратковременных колебаний напряжения;
• стандартам, ориентированным на продукцию нли на
промышленность в целом, направленным либо на обеспечение
помехоустойчивости изделий отдельных видов, таких как аппаратура
управления производственными процессами и оборудование
законодательной метрологии, либо на регулирование помехоэ-
миссии от оборудования, предназначенного для использования
в определенных условиях обстановки, например морского
оборудования.
78
Введение
Эти стандарты не были отмечены при введении Директивы
ЭМС; те из них, которые были гармонизированы СЕНЕ ЛЕК, могут
быть применены для изделий, на которые они распространяются,
как адекватные для доказательства соответствия. То же самое
относится и к негармонизированным стандартам, которые были
заявлены государствами — членами ЕС и согласованы Европейской
комиссией.
1.3.5.1 Общие стандарты
В первое время после вступления в силу Директивы ЭМС
стандарты, ориентированные на продукцию» еще не были разработаны для
многих отраслей промышленности. Такое положение сложилось
прежде всего в отношении устойчивости к электромагнитным
помехам, которая представляла собой новый аспект при установлении
требований к изделиям многих видов. Для того чтобы преодолеть
указанное затруднение в возможно более короткие сроки, СЕНЕ-
ЛЕК предоставил наивысший приоритет разработке общих
(♦generic») стандартов ЭМС. Указанные стандарты имеют широкую область
применения, не относятся к любому конкретному изделию или
группе изделий и предназначены для того, чтобы установить
существенные требования Директивы ЭМС. В качестве общих стандартов
ЭМС были приняты два стандарта, один из которых устанавливает
требования по обеспечению помехоустойчивости, а другой —
требования по ограничению помехоэмиссии.
Каждый из указанных стандартов имеет две части,
применительно к двум классам условий обстановки (таблица 1.5).
Таблица 1.5 Общие стандарты
ЕН 50081
Помехоэмиссия
ЕН 50082
Помехоустойчивость
Часть 1
Жилые,
коммерческие зоны и
производственные зоны с
малым
энергопотреблением
Часть 2
Промышленные
зоны
NB:
См. также
серию общих
стандартов МЭК 61000-6
Если стандарт ЭМС, ориентированный на изделие конкретного
вида, существует, он имеет преимущество над общим стандартом.
Это является общим правилом, хотя возможны и такие случаи,
когда для некоторых конкретных изделий, например для систем
пожарной сигнализации, будут совместно применяться: стандарт»
ориентированный на продукцию, устанавливающий требования по
ограничению гармонических составляющих тока, потребляемого из
ЭМС для разработчиков продукции
79
сети электропитания; стандарт, ориентированный на продукцию,
устанавливающий требования устойчивости к электромагнитным
помехам и общий стандарт, устанавливающий требования по
ограничению эмиссии помех. Изделие должно отвечать требованиям
всех этих стандартов, прежде чем можно будет заявить о его
соответствии Директиве ЭМС. Такого рода смешанные комбинации
будут возникать до тех пор, пока не будет разработан исчерпывающий
перечень стандартов для изделий конкретного вида. Впрочем, и
тогда еще могут быть необычные изделия, которые могут «провалиться
в трещину».
Классы обстановки
Различия обстановки, относящейся к разным классам,
основываются на характеристиках электромагнитных явлений, имеющих
место повсюду в указанной обстановке {122]. Отнесение
производственных зон с малым энергопотреблением (мастерских, цехов,
лабораторий, центров технического обслуживания) к классу I было
предметом определенной полемики, но изучение показало, что
существенные различия между электромагнитными условиями в
жилых и коммерческих зонах, с одной стороны, и в производственных
зонах с малым энергопотреблением, с другой стороны, отсутствуют.
Что касается оборудования, предназначенного для применения в
«промышленной» обстановке класса И, то считается, что указанное
оборудование подключается к соответствующим трансформаторам
(как правило, высокого или среднего напряжения), или
специальным силовым установкам, в противоположность оборудованию,
предназначенному для применения в обстановке класса I, которое
подключается к общественным электрическим сетям.
1,3.5.2 Критерии качества функционирования
Отдельная проблема, связанная с устойчивостью изделий к
электромагнитным помехам, заключается в том, что испытуемые
изделия могут проявить самые разнообразные реакции при
воздействии электромагнитных помех. Эти реакции могут изменяться от
полного отсутствия какого-либо отклика на воздействие до
полного нарушения функционирования изделия, включая, в частности,
ухудшение точности измерений некоторых величин. Эта проблема
не имеет места в случае измерений эмиссии помех, когда возможно
сравнение результатов измерений с определенным испытательным
уровнем. Для того чтобы при оценке результатов испытаний на
помехоустойчивость можно было принять во внимание указанное
80 Введение
разнообразие реакций испытуемых изделий, в общих стандартах
помехоустойчивости были установлены три обобщенных критерия
качества функционирования. В связи с этим в отчет об
испытаниях конкретного изделия на помехоустойчивость будет необходимо
включить функциональное описание и точное определение
применяемого критерия качества функционирования (при воздействии
помехи и после ее окончания)» основываясь на трех упомянутых выше
обобщенных критериях. Определения указанных трех обобщенных
критериев приведены в разделе 9.3.4. Наибольшего внимания
заслуживает то обстоятельство, что точное определение критерия
качества функционирования конкретного изделия при испытаниях
на помехоустойчивость основывается на том, какие характеристики
функционирования пользователь вправе ожидать от изделия или
что ему известно об ожидаемых характеристиках функциони
рования. Другими словами, если вы установили для конкретного
разработанного изделия определенные потери функционирования
при испытаниях на помехоустойчивость, написали об этом в
документации пользователя, и, кроме того, обеспечили, чтобы изделие
не становилось небезопасным в результате воздействия помех, то
ваше изделие отвечает требованиям общего стандарта.
1.3.5.3. Основополагающие стандарты и стандарты на
продукцию
Испытания, установленные в общих стандартах, основаны
исключительно на уже существующих стандартах, одобренных на
международном уровне. Для каждого электромагнитного явления,
предусмотренного в общем стандарте, метод испытаний
устанавливается путем ссылки на указанный стандарт, и единственным
впервые устанавливаемым в общем стандарте требованием является
испытательный уровень или предельно допустимое значение
эмиссии помех. Ни в одном из общих стандартов не установлено никаких
новых методов испытаний.
Те стандарты, которые являются ссылочными в общих
стандартах, например различные части серии стандартов БН 61000, а также
некоторые стандарты СИСПР, известны, как основополагающие
(«basic») стандарты. Это означает, что в указанных стандартах
полностью раскрываются определенные аспекты ЭМС и эти стандарты
пригодны для использования всеми комитетами по стандартизации,
разрабатывающими стандарты других категорий, например
стандарты для конкретных изделий. Как правило, стандарты ЭМС для
конкретных изделий будут иметь построение, аналогичное с общим
ЭМС для разработчиков продукции 81
стандартом ЭМС, регламентировать подобные нормы (предельные
уровни)» но будут более специфичны в отношении режимов работы
и конфигураций изделий при испытаниях, а также тех критериев
качества функционирования, которые считаются приемлемыми. В
отношении же методов испытаний будут, где это возможно,
приводиться ссылки на основополагающие стандарты.
1.4 Действия для достижения соответствия
Для того чтобы было достигнуто соответствие нового изделия
требованиям Директивы ЭМС и стало возможным маркирование
знаком соответствия СЕ, необходимо предпринять следующие
действия (при этом из рассмотрения исключаются радиопередатчики,
телекоммуникационное оконечное оборудование, медицинские
устройства и изделия других видов, на которые распространяются
иные европейские директивы):
А. Самосертификация
1. На основании результатов маркетинга определить вид изделия,
которое должно быть сконструировано, и установить
обстановку, в которой будут использоваться проданные изделия.
Исходя из этой информации, определить, какие стандарты ЭМС,
ориентированные на продукцию, могут быть применены для
данного изделия (при их наличии) (см. раздел 2,5). Если ваша
компания изготовляет или импортирует изделия, пригодные
только для одного конкретного применения, вы можете
использовать для всех изделий один и тот же стандарт,
ориентированный на продукцию.
2. Если стандарты, ориентированные на продукцию, отсутствуют,
выбрать общий стандарт, предварительно проверив, что
испытания, установленные в нем, применимы. Класс обстановки зависит
от того, к какой электрической сети предполагается подключение.
З.Если вы не можете применить общий стандарт или не желаете
применить его в связи с обстоятельствами, которые были
рассмотрены в разделе 1.3.2, то вам необходимо использовать
способ подготовки технического файла конструкции.
4. Выбрав, какой стандарт вы будете использовать, необходимо
решить вопрос об испытательных уровнях и портах изделия
(корпуса, питающих проводов, сигнальных/контрольных
проводников), к которым они будут применены. В некоторых
случаях при этом не будет возможности выбора, но в других
82 Введение
случаях применимость испытаний зависит от таких факторов,
как длины проводников, конфигурация испытуемых
аппаратов и класс обстановки.
5. Используя эту информацию, подготовить план испытаний в
области ЭМС, в котором детально установить версию и
конфигурацию испытуемого аппарата и всех аппаратов, связанных с ним,
состав испытаний, которые будут применены для испытуемого
аппарата, а также определить критерий «проходит — не
проходит». План испытаний более детально рассматривается в разделе
9.3. Целесообразно обсудить план испытаний с выбранной вами
аккредитованной испытательной лабораторией или персоналом
испытательного подразделения вашей компании. Это будет
основой для составления вашего контракта с ними, а также для
подготовки технической документации, которая должна быть
разработана в соответствии с положениями Директивы ЭМС.
6. Исходя из плана испытаний в области ЭМС, обосновать, в
первом приближении, исходя из критерия «стоимость —
эффективность», те меры обеспечения ЭМС, которые должны быть
предусмотрены при конструировании изделия, так как уровни
создаваемых помех, требования помехоустойчивости и точки, в
которых они будут применены, уже установлены.
7. В процессе конструирования изделия» включая стадию
создания прототипа и стадию опытного образца, целесообразно
проводить предварительные испытания для проверки
характеристик ЭМС изделия, а также проверки обоснованности плана
испытаний. На этой стадии нормальным является
итеративный процесс внесения изменений, как в конструкцию изделия,
так и в план испытаний.
8. После окончания конструирования и незадолго до начала
серийного выпуска изделия вы должны провести полный
комплект испытаний на соответствие с использованием образца
продукции, результаты которых зафиксировать в технической
документации. Если предварительные испытания были
успешными, это следует считать не более чем формальностью.
9. После этого маркировать изделие, и/или его упаковку, или
документацию знаком соответствия СЕ (если изделие также
удовлетворяет требованиям других относящихся к нему
директив). Ваш уполномоченный представитель может
подписать декларацию о соответствии и хранить ее в течение
десяти лет. Изделие может быть размещено на рынке»
ЭМС для разработчиков продукции 83
10. В процессе серийного производства вы должны принять
меры к тому, чтобы изделие продолжало соответствовать
существенным требованиям Директивы ЭМС.
В. Технический файл конструкции
1. Если ваше изделие таково, что вы не можете или не будете
применять гармонизированные стандарты ЭМС, представляющие
существенные требования в целом, вам необходимо работать
совместно с компетентным органом.
2.После выбора компетентного органа обсудите с ним
особенности конструкции и требования к проведению испытаний,
которые персонал компетентного органа должен знать для того,
чтобы вы могли убедить его в том, что изделие соответствует
требованиям Директивы ЭМС. Перечень компетентных
органов Соединенного Королевства утверждает Департамент
торговли и промышленности. Имеется также возможность работы
с компетентным органом в любом другом государстве — члене
Европейского союза. Основываясь на результатах этого
обсуждения, вам следует подготовить план испытаний, как указано
выше в перечислении А.5. Далее вам следует действовать так,
как указано выше в перечислениях А.6 и А.7.
З.К тому времени, когда разработка изделия будет завершена,
вы должны подготовить технический файл конструкции, как
указано в разделе 1.3.2. Технический файл конструкции может
включать результаты испытаний, подтверждающие
соответствие изделия, а может и не содержать этих сведений.
Технический файл конструкции может быть подготовлен
компетентным органом, хотя это и не обязательно. Затем компетентный
орган должен провести рецензирование технического файла
конструкции и, если технический файл удовлетворяет его,
выпустить технический отчет или сертификат.
4. После этого вам следует предпринять действия, указанные
выше в перечислениях А.9 и АЛО.
1.5 Именно тогда, когда вы думали, что вы в
безопасности...
Когда большой мудрец Дж. Беннет хотел убедиться, что ученики
понимают его правильно, он был склонен к тому, чтобы после
долгого и утомительного изложения сложного философского вопроса объ-
яяить: «А теперь забудьте все это...* Вы можете испытывать те же
84 Введение
чувства, так как намечается принятие новой редакции Директивы
ЭМС. Во время написания этой книги указанная редакция
находилась еще в стадии активного обсуждения и изменений, так что было
бы неправильным преждевременно считать перемены неизбежными
и детально обсуждать их. Поэтому в настоящем разделе приведены
лишь краткие комментарии, относящиеся к наиболее важным
особенностям новой редакции Директивы ЭМС.
1.5.1 Упрощение законодательства для внутреннего
рынка
В 1998 г. Директива ЭМС стала объектом рассмотрения в
рамках процесса упрощения законодательства для внутреннего рынка
(SLIM). Десяти правительственным экспертам было поручено
подготовить рекомендации, направленные на улучшение и упрощение
Директивы ЭМС. В их докладе внимание было обращено на ряд
аспектов, в том числе на следующие:
• функциональная безопасность. Отмечено, что проблема
реально существует, но не должна быть связана с Директивой ЭМС;
• требования устойчивости к электромагнитным помехам.
Должны быть сохранены в Директиве ЭМС, но требуется
уточнить некоторые вопросы;
• стандарты. В Директиве ЭМС должен быть приведен обзорный
перечень;
• большие машины и установки. Не должны быть объектом
подтверждения соответствия;
• определения. В Директиву ЭМС должны быть включены
определения, касающиеся электромагнитной обстановки
различных видов.
Рекомендации, подготовленные в рамках процесса SLIM, явились
основанием для пересмотра Директивы ЭМС, но было бы
неправильно полагать, что при подготовке новой редакции все рекомендации
группы SLIM будут приняты без изменений.
1.5.2 Второе издание
При подготовке второго издания Директивы ЭМС был разработан
проект, в который в 2000 г. несколько раз вносились изменения и до
настоящего времени процесс разработки не окончен. Определились
некоторые детали, которые, с некоторой долей неуверенности можно
рассматривать как заслуживающие поддержки.
ЭМС для разработчиков продукции 85
Электромагнитная обстановка
В проект второго издания Директивы ЭМС новое определение или
уточнение определения термина «электромагнитная обстановка» не
включены.
Оборудование, пассивное в электромагнитном отношении
Оборудование, которому внутренне свойственны отсутствие
эмиссии электромагнитных помех и невосприимчивость к их воздействию,
определенно исключено из области применения Директивы.
Стационарные установки
Установки должны отвечать существенным требованиям.
Проектирование, монтаж и обслуживание установок должны
осуществляться с применением эффективных инженерных приемов, с
учетом информации о назначении их компонентов, но установки не
должны являться объектом подтверждения соответствия.
Требования по обеспечению информацией
В проекте второго издания Директивы ЭМС уделяется
значительно большее внимание обязательному обеспечению пользователя
информацией, относящейся к ЭМС, в частности, указаниям о
принятии мер предосторожности для удовлетворения существенных
требований и ограничениям в использовании аппаратов в
определенных условиях электромагнитной обстановки.
Оценка ЭМС
Существенные требования придают обязательный характер, с
одной стороны, проведению оценки электромагнитной
совместимости, которая должна подтвердить, что аппарат отвечает
существенным требованиям, и, с другой стороны, документированию этого в
техническом файле, имеющемся у уполномоченных органов власти.
Заметим, что это положение ставит Директиву ЭМС в одинаковое
положение с другими директивами, которые предусматривают
подготовку технического файла. Заметим также, что указанный
технический файл отличается от технического файла конструкции.
От способа подтверждения соответствия, основанного на подготовке
технического файла конструкции, во втором издании Директивы
ЭМС предусмотрено отказаться.
86 Введение
Гармонизированные стандарты
Применение для аппаратов гармонизированных стандартов ЭМС
эквивалентно проведению оценки электромагнитной
совместимости, так что, в сущности» в проекте второго издания Директивы ЭМС
способ подтверждения соответствия, основанный на стандартах,
остался без изменений. Вместе с тем имеются определенные
разногласия о том, насколько полно должны применяться стандарты
ЭМС. Выбор необходимых стандартов должен быть основан на
положениях соответствующих документов по стандартизации, которые
должны быть разработаны.
Определения
В проект второго издания Директивы ЭМС включены
формальные определения терминов «аппарат», «компонент», «субсборка* и
«стационарная установка». Имеются также предложения о
включении в Директиву в качестве аппаратов, на которые
распространяется ее действие, «готовых соединительных устройств» (кабельных
сборок).
Компетентные или заявленные органы
В проекте второго издания Директивы ЭМС отсутствуют
положения о способе подтверждения соответствия требованиям ЭМС с
использованием технического файла конструкции. Те органы,
которые в действующей Директиве ЭМС носят наименование
«компетентнее £р>г£яьг>, в проекте зазываются «э&яэленные органы*. При
этом вопрос о том, привлекать или нет указанный орган к процессу
оценки соответствия, должен решаться изготовителем на полностью
добровольной основе.
Действия по принуждению
Органам власти, уполномоченным для выполнения требования
Директивы ЭМС, предоставляется большая свобода действий для
изъятия, запрещения или ограничения реализации аппаратов.
Глава 2
Стандарты
2.1 Организации, ответственные за подготовку
стандартов
Структура организаций, которые несут ответственность за
подготовку стандартов в области электромагнитной совместимости,
применяемых для целей Директивы ЭМС, показана на рис. 2.2.
2.1.1 Международная электротехническая комиссия
Международная электротехническая комиссия (МЭК)
действует в тесном взаимодействии с Международной организацией
по стандартизации (ИСО). В 1999 г. членами МЭК являлась 41
страна. МЭК состоит из национальных комитетов» которые, как
предполагается, полностью отражают интересы своих стран в
отношении развития электротехники. Работы по стандартизации
проводятся в технических комитетах и подкомитетах и
связаны с отдельными группами продукции. В каждом техническом
комитете создан Секретариат, ведение которого возлагается на
один из национальных комитетов стран — членов МЭК, которые
обеспечивают деятельность секретариатов. Цель МЭК определена
следующим образом: «способствовать международному
сотрудничеству по всем вопросам, связанным со стандартизацией... что
достигается изданием публикаций, содержащих рекомендации в
виде международных стандартов, которые Национальные
комитеты, как предполагается, должны использовать в своей работе
над национальными стандартами» [83].
Два технических комитета МЭК полностью заняты работами,
относящимися к электромагнитной совместимости, и, кроме
того, еще около сорока других технических комитетов частично
решают вопросы ЭМС при проведении работ в своей области
ответственности. К двум указанным техническим комитетам,
полностью занятым работами, относящимися к ЭМС, относятся ТК
77 «Электромагнитная совместимость оборудования, включая
электрические сети* и Международный специальный комитет
по радиопомехам — СИСПР (наименование СИСПР образовано
из начальных букв наименования указанного комитета на
французском языке). Организация в.шимодсйгтвия по вопросам ЭМС
88
Стандарты
между многими техническими комитетами МЭК возлагается
на Консультативный комитет по ЭМС (ККЭМС)» который, как
предполагается, должен предпринимать меры* исключающие
разработку конфликтующих стандартов. Стандарты МЭК сами
по себе не имеют юридического статуса в отношении Директивы
ЭМС. Если национальный комитет не согласен с указанными
стандартами, он не обязан применять их, хотя в Соединенном
Королевстве 85% стандартов МЭК иереведены в категорию
британских стандартов. Реальная значимость стандартов МЭК
состоит в том» что они могут либо быть переведены
непосредственно в категорию гармонизированных европейских стандартов, и
в этом случае они становятся пригодными при подтверждении
соответствия продукции требованиям Директивы ЭЫС способом
самосертификации, либо на них могут быть сделаны ссылки в
общих гармонизированных стандартах или в стандартах,
ориентированных на продукцию.
2.1.1.1 ТК77
ТК 77 был назван «Организацией объединенных наций для ЭМС»
[95], и это в определенной степени справедливо, так как указанный
технический комитет пытается охватить большинство аспектов
этой проблемы во всемирном масштабе. Структура ТК 77 приведена
на рис. 2.1.
ТК77
Электромагнитная совместимость
РГ1
Терминология
РГ1Э
Общие стандарты ЭМС
РГ14
ЭМС и функциональна*
безопасность
ПК?? А
Низкочастотные
электромагнитные явления
ПК 77 В
Высокочастотные
электромагнитные явления
РГ1
Гармоники и другие
низкочастотные помехи
РГ2
Колебания напряжения и
другие низкочастотные
помехи
РГ6
Испытания на
устойчивость к
низкочастотным помехам
РГв
Электромагнитные
воздействия, связанные с
частотой сети
Методы намерение
качеств» электрической
Рис. 2.1 Структура ТК 77 МЭК
ПК 77 С
Устойчивость к ЭМИ
еяв
РГ9
Испытания на устойчивость к
электростатическим разрядам
РМО
Устойчивость к излучаемым
электромагнитным полям и
наведанным ими кондгктивмым
помехам
РГ 11
Устойчивость киондуктивным
помехам, исключая
наведенные излучаемыми
электромагнитными полями
РГ1
Устройства защиты
отЭМИВЯВ
ЭМС для разработчиков продукции
89
Это большой и влиятельный технический комитет, который
взаимодействует как с многими другими техническими комитетами
внутри МЭК, ориентированными на продукцию, включая СИСПР,
так и с внешними организациями, такими как Европейский
комитет по стандартизации в области электротехники (СЕНЕЛЕК) и
Международный союз электросвязи (МСЭ). ТК 77 взаимодействует
также с несколькими международными организациями,
связанными с вопросами электроснабжения.
Главным результатом деятельности ТК 77 в настоящее время
являются различные публикации, относящиеся к серии публикаций
МЭК 61000 «Электромагнитная совместимость». Эти документы
были изданы в виде нескольких частей в соответствии с планом,
приведенным в таблице 2.1. Они включают в себя все материалы,
касающиеся ЭМС, не относящиеся к области ответственности СИСПР
и технических комитетов МЭК, ориентированных на продукцию.
Таблица 2.1 План серии публикаций МЭК6Ю00[95]
МЭК 61000-1
МЭК 61000-2
МЭК 61000-3
МЭК 61000-4
МЭК 61000-5
МЭК 61000-6
МЭК 61000-9
Часть 1: Основы
Общее рассмотрение вопросов ЭМС (введение, фундаментальные
принципы, функциональная безопасность)
Терминологий
Определения
Часть 2: Электромагнитная обстановка
Описание электромагнитной обстановки
Классификация электромагнитных обстановок
Уровни электромагнитной совместимости
Часть 3: Нормы
Нормы помехоэмиссии
Требования помехоустойчивости (в тех случаях, когда они не являются
предметом рассмотрения техническими комитетами, разрабатывающими
стандарты на продукцию)
Часть 4: Методы испытаний и измерений
Методы измерений
Методы испытаний
Часть 5: Руководства по установке и помехоподавлению
Руководства по установке
Методы и устройства помехоподавления
Часть 6: Общие стандарты
Часть 9: Разное
Серия МЭК 61000 публикуется ТК 77 в виде отдельных частей в
соответствии с указанным выше планом. Каждая часть далее
подразделяется на разделы, которые могут быть опубликованы как
международные стандарты либо как технические отчеты.
Опубликованные ранее стандарты МЭК, касающиеся ЭМС, такие
как МЭК 555 или МЭК 801, были заменены стандартами, входя щи-
90
Стандарты
ми в серию МЭК 61000. Более подробное описание некоторых
разделов частей 3 и 4 серии стандартов МЭК 61 000 приведено ниже
в настоящей главе (раздел 2.4). Полный перечень частей этого
гигантского стандарта, которые были опубликованы или находятся на
завершающих стадиях голосования по состоянию на осень 2000 г.,
указан в таблице 2.3.
2.1.1.2 СИСПР
В публикациях СИСПР рассматриваются нормы и методы
измерений характеристик радиопомех, создаваемых изделиями,
являющимися потенциальными источниками помех. Эти публикации
представляют собой комплект документов, дополняющих серию
публикаций МЭК 61 000.
В состав СИСПР входят несколько подкомитетов, как указано в
таблице 2.2.
Таблица 2.2 Структура СИСПР
Подкомитет
СИСПР/А
СИСПР/В
СИСПР/С
СИСПР/D
СИСПР/Е
СИСПР/F
СИСПР/G
СИСПР/Н
Наименование / область применения
Измерения радиопомех и статистические методы
Промышленные, научные и медицинские
радиочастотные устройства
Воздушные линии электропередачи,
высоковольтное оборудование и системы электрической тяги
Автотранспортные средства и двигатели
внутреннего сгорания
Радиовещательные приемники
Бытовые электрические приборы, электрические
инструменты, световое оборудование и
аналогичные устройства
Оборудование информационных технологий
Нормы для защиты радиослужб
Главные публика*
ции
СИСПР 16, СИСПР 17
СИСПР 11, СИСПР 19,
СИСПР 23, СИСПР 28
СИСПР18
СИСПР 12. СИСПР 21,
СИСПР25
СИСПР 13, СИСПР 20
СИСПР 14, СИСПР 15
СИСПР 22, СИСПР 24
Большинство из указанных подкомитетов связано с
определенными группами изделий и существуют уже длительное время.
Перед вступлением в силу общеевропейского законодательства,
касающегося ЭМС, эти группы изделий были главными объектами
законодательного контроля уровней создаваемых ими радиопомех.
Подкомитет СИСПР А играет особенно важную роль как
разработчик и попечитель общепринятых методов измерений радиопомех
и требований к соответствующим средствам измерений. Хотя
документы» разработанные СИСПР, номинально, распространяются на
конкретные группы изделий, некоторые из стандартов, устанавли-
ЭМС для разработчиков продукции
91
вающих нормы эмиссии радиопомех, особенно СИСПР 11» СИСПР
14 и СИСПР 22, имеют более широкое применение, так как
установленные в них нормы и методы измерений применяются во многих
стандартах, ориентированных на продукцию. В основном нормы
радиопомех, в зависимости от частоты, могут быть отнесены к двум
классам А и В (см. раздел 2.7), общепринятым во многих стандартах.
Хотя СИСПР в основном не заинтересован в разработке стандартов в
области устойчивости к электромагнитным помехам, существуют
два примера, нарушающих это правило: СИСПР 20 для
радиовещательных приемников, телевизоров и аналогичного оборудования и
СИСПР 24 для оборудования информационных технологий.
Международные
Европейские
СЕНЕЛЕК
ЕТС/ЕНШХХХ
ТК21О
ПК 77А: Низкочастотные /А: измерения
электромагнитные /В:ПНб
явления /С: воздушные линии
/D: аатотранаюргные средства
ПК 77В: Высокочастотные /Е: радиовещательные приемники
электромагнитные /F: бытовые электроприборы
явления /G: оборудование информационных
технологий
МЭК6100О-Х
СИСПР XX
Рис. 2.2 Структура стандартов ЭМС
ЕН50ХХХ
ЕН 55 XXX
ЕН6ХХХХ
Национальных
комитетов
Переведены в
национальные
стандарты
Таблица 2.3 Опубликованные и запланированные для опубликования части серии
публикаций МЭК 61000
Номер
части
1
2
Номер
раздела
Наименование
Основы
1
2
Применение и интерпретация основных понятий и терминов
Методология обеспечения функциональной безопасности
электрических и электронных изделий ■ отношении электромагнитных помех
Электромагнитная обстановка
92
Стандарты
I
3
4
1
2
3
4
5
6
7
9
10
11
Электромагнитная обстановка в части низкочастотных кондуктивных
помех и сигналов, передаваемых по силовым линиям в системах
электроснабжения общего назначения
Уровни электромагнитной совместимости для низкочастотных
кондуктивных помех и сигналов, передаваемых в системах электроснабжения
общего назначения
Излучаемые помехи и кондуктивные помехи, не связанные с частотой
электрической сети
Уровни электромагнитной совместимости для низкочастотных
кондуктивных помех в системах электроснабжения промышленных
предприятий
Классификация электромагнитных обстановке
Оценка уровней помехоэмиссии для низкочастотных кондуктивных
помех в системах электроснабжения промышленных предприятий
Низкочастотные магнитные попя в различных условиях
электромагнитной обстановки
Описание электромагнитной обстановки при высотных ядерных
взрывах. Излучаемые электромагнитные помехи
Описание электромагнитной обстановки при высотных ядерных
взрывах. Кондуктивные электромагнитные помехи
Классификация электромагнитных обстановок при высотных ядерных
взрывах
Нормы
2
3
4
5
6
7
8
9
Нормы эмиссии гармонических токов {оборудование с потребляемым
током < 16 А в одной фазе)
Ограничение колебаний напряжения и фликера в низковольтных
системах электроснабжения для оборудования с номинальным
потребляемым током s 16 А в одной фазе
Ограничение эмиссии гармонических токов в низковольтных системах
электроснабжения для оборудования с номинальным потребляемым
током, превышающим 16 А в одной фазе
Ограничение колебаний напряжения и фликера в низковольтных
системах электроснабжения для оборудования с номинальным
потребляемым током, превышающим 16 А в одной фазе
Оценка уровней помехоэмиссии для возмущающих нагрузок в
системах электроснабжения среднего и высокого напряжения
Оценка уровней помехоэмиссии изменяющихся нагрузок в системах
электроснабжения среднего и высокого напряжения
Передача сигналов в системах электроснабжения низкого напряжения.
Уровни сигналов, полосы частот и уровни электромагнитных помех
Нормы эмиссии интергармонических токов (оборудование с
потребляемым током < 16 А в одной фазе, способное генерировать
интергармоники)
Методы испытаний и измерений
1
2
3
4
Обзор испытаний на помехоустойчивость
Испытания на устойчивость к электростатическим разрядам
Испытания на устойчивость к радиочастотному излучаемому
электромагнитному ПОЛЮ
Испытания на устойчивость к наносекундным импульсным помехам
ЭМС для разработчиков продукции
93
5
5
6
8
9
10
11
12
13
U
15
16
17
20
21
23
24
25
27
28
29
30
31
Испытания на устойчивость к микросекундным импульсным помехам
большой энергии
Испытания на устойчивость к кондуктивным помехам, наведенным
радиочастотным» электромагнитными полями
Испытания на устойчивость к магнитному полю промышленной частоты
Испытания на устойчивость к импульсному магнитному полю
Испытания на устойчивость к затухающему колебательному магнитному
полю
Испытания на устойчивость к провалам, кратковременным
прерываниям и изменениям напряжения электропитания
Испытания на устойчивость к колебательным помехам
Испытания на устойчивость к гармоникам и интергармоникам, включая
сигналы, передаваемые по силовым линиям, воздействующим на порт
электропитания переменного тока
Испытания на устойчивость к колебаниям напряжения
Фликерметр. Функциональные и конструктивные требования
Испытания на устойчивость к кондуктивным помехам,
представляющим собой общие несимметричные напряжения в полосе частот
0—150 кГц
Испытания на устойчивость к пульсациям напряжения постоянного
тока, воздействующим на входной порт электропитания
Испытания на помехоэмиссию и помехоустойчивость в ТЕМ-камерах
Руководство по проведению испытаний на помехоэмиссию и
помехоустойчивость в реверберационных камерах
Методы испытаний устройств защиты от электромагнитного импульса
высотного ядерного взрыва и других излучаемых электромагнитных
помех
Методы испытаний устройств защиты от кондуктивных помех,
вызываемых высотными ядерными взрывами
Методы испытаний оборудования и систем на устойчивость к
электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва
Испытания на устойчивость к несимметрии напряжений
Испытания на устойчивость к изменениям частоты в системах
электроснабжения
Испытания на устойчивость к провалам, кратковременным
прерываниям и изменениям напряжения постоянного тока, воздействующим на
входной порт электропитания
Методы измерений показателей качества электрической энергии
Измерения в полосе частот от 2 кГц до 9 кГц
Руководства по установке и помехоподавлению
1
2
3
4
S
6
Общие положения
Заземление и прокладка кабелей
Концепции защиты от электромагнитных помех, вызываемых
высотными ядерными взрывами
Требования к устройствам защиты от излучаемых помех, вызываемых
высотными ядерными взрывами
Требования к устройствам защиты от кондуктивных помех, вызываемых
высотными ядерными взрывами
Подавление внешних электромагнитных помех
94 Стандарты
6
7
Степени защиты от электромагнитных помех, обеспечиваемые
оболочками (ЕМ - код)
Общие стандарты
1
2
3
4
5
Помехоустойчивость для жилых, коммерческих зон и зон легкой
промышленности
Помехоустойчивость для промышленных зон
Помехоэмиссия для жилых, коммерческих зон и зон легкой
промышленности
Помехоэмиссия для промышленных зон
Помехоустойчивость для зон электростанций и подстанций
2.1.1.3 Международный электротехнический словарь
Еще одним важным документом является часть 161 Публикации
МЭК 60050 «Международный электротехнический словарь» [146].
Указанная Публикация содержит определения терминов в области
электромагнитной совместимости на английском, французском и
русском языках, а также эквивалентные термины на датском,
немецком, итальянском, польском, испанском и шведском языках.
2.1.2СЕНЕЛЕКиЕТСИ
СЕНЕЛЕК (Европейский комитет по стандартизации в области
электротехники) является ответственной европейской
организацией в области стандартизации, которая была уполномочена
Европейской комиссией для проведения работ по подготовке европейских
стандартов, обеспечивающих применение Директивы ЭМС. Для
телекоммуникационного оборудования в качестве организации,
ответственной за подготовку стандартов ЭМС, уполномочен ЕТСИ
(Европейский институт телекоммуникационных стандартов). ЕТСИ
разрабатывает стандарты ЭМС для оборудования
телекоммуникационных сетей (исключая абонентское оборудование), для
оборудования радиосвязи, а также для радиовещательных передатчиков. В
качестве основы для подготовки проектов таких стандартов
СЕНЕЛЕК и ЕТСИ используют, где это возможно, результаты работы МЭК
и СИСПР. Непосредственную подготовку стандартов ЭМС в составе
СЕНЕЛЕК осуществляет ТК 210. Представители национальных
комитетов ежегодно встречаются в ТК 210 для того, чтобы обсудить
технические детали разрабатываемых проектов стандартов. В
составе ТК 210 имеется подкомитет ПК 210А, который специально
занимается вопросами помехоустойчивости оборудования
информационных технологий, и три рабочие группы, одна из которых
несет ответственность за разработку общих стандартов ЭМС (раздел
1.3.5.1). СЕНЕЛЕК состоит из национальных комитетов каждой из
ЭМС для разработчиков продукции 95
стран, входящих в Европейское экономическое пространство.
Принятие стандартов основывается на квалифицированном взвешенном
голосовании 18 национальных комитетов [42], [130]. В их числе
национальные комитеты Франции, Англии, Германии и Италии
имеют по 10 голосов, Испании 8 голосов и национальные комитеты
остальных стран имеют от 3 до 5 голосов. Независимо от состояния
разработки международных стандартов, страны, входящие в ЕЭП,
должны, в соответствии с существующим положением, принять
новый стандарт СЕНЕЛЕК, даже если они голосовали против. Для
улучшения этого положения существует формальная возможность
учета в стандартах СЕНЕЛЕК «специальных национальных
условий». Это имело, например, место, когда в СЕНЕЛЕК было принято
решение о гармонизации напряжения электропитания в
европейских странах и установлении его равным 230 В. Соединенное
Королевство объявило в этой связи, что в рамках специальных
национальных условий напряжение останется равным 240 В.
В Соединенном Королевстве британскую позицию
относительно документов ТК 210 формирует технический комитет GEL 210
Британского института стандартов (BSI). Британский институт
стандартов обязан приглашать все организации, которые
заинтересованы в вопросах ЭМС, быть членами подкомитета GEL 210. На
практике это выполняется большей частью через представителей
торговых объединений. Если в СЕНЕЛЕК разработан и принят
европейский стандарт ЭМС (указанный документ обозначается буквами
♦EN» или «HD»), то всем странам — членам СЕНЕЛЕК необходимо
ввести идентичный национальный стандарт. Стандарт «EN» должен
быть введен в качестве национального стандарта без каких-либо
изменений («слово в слово»), в то время как «HD» (гармонизированный
документ) не нуждается в дословном переводе разделов, в которых
отражены технические вопросы. В соответствии с положениями
европейских директив национальный стандарт направляется в
Европейскую комиссию и ссылочные номера стандартов ЕН и
эквивалентных национальных стандартов публикуются в
Официальном журнале Европейских сообществ (ОЖ). Когда это выполнено,
стандарт считается ссылочным стандартом для доказательства
соответствия изделий требованиям определенной Директивы.
Конфликтующие национальные стандарты должны быть отменены в
течение определенного времени. Проекты стандартов и изменений к
существующим стандартам СЕНЕЛЕК открыты для общественного
обсуждения через национальные комитеты в течение
определенного времени перед тем, как стандарт будет опубликован. Помимо
96 Стандарты
того, что это является механизмом воздействия промышленности на
содержание стандартов» такое обсуждение позволяет изготовителям
заблаговременно принимать обоснованные решения, касающиеся
применения для своих изделий некоторых норм и методов
испытаний еще до даты официального опубликования стандартов. При
этом, правда, будет невозможно применительно к
неопубликованному стандарту подготовить официальную декларацию о
соответствии. Кроме того, всегда существует определенный риск, что
опубликованная окончательная версия стандарта будет отличаться (в
некоторых деталях, а иногда и существенно) от проекта стандарта.
2.7.2.7 Стандарты, распространяющиеся на однородную
продукцию
Как упоминалось в разделе 1.3.5, возможность использования
предпочтительного способа доказательства соответствия
требованиям Директивы ЭМС, т.е. самосертификации, зависит от наличия
большого комплекта гармонизированных стандартов
электромагнитной совместимости, распространяющихся на однородную
продукцию. После опубликования эти стандарты имеют преимущество
над общими стандартами ЭМС, Стандарты, распространяющиеся
на однородную продукцию, могут быть подготовлены либо в виде
специальных стандартов электромагнитной совместимости,
охватывающих различные аспекты ЭМС применительно к определенной
совокупности изделий, либо в виде разделов ЭМС, включенных в
существующие стандарты, распространяющиеся на продукцию.
Общим требованием при подготовке стандартов, распространяющихся
на однородную продукцию, является то, что в качестве ссылочных
документов» устанавливающих методы испытаний, в них должны
быть использованы, где это возможно, основополагающие («basic»)
стандарты ЭМС (такие как стандарты серии МЭК 61000-4-Х или
эквивалентные им стандарты ЕН). Кроме того, те разделы стандартов,
которые отиосятся к конкретным изделиям, должны включать в
основном указания о том, какие испытания должны проводиться,
какие нормы и предельные уровни должны быть установлены и
какие рабочие условия при испытаниях и критерии качества
функционирования должны применяться. Особое значение имеет то
обстоятельство, что побудительной силой для подготовки таких
стандартов должны являться требования самой промышленности,
заинтересованной в их применении для подтверждения
соответствия Директиве ЭМС.
ЭМС для разработчиков продукции 97
Поскольку указанный подход означает, что технические
комитеты, основные задачи которых не связаны непосредственно е
решением проблем ЭМС, могут вносить существенный вклад в разработку
стандартов электромагнитной совместимости (и ожидается, что они
действительно будут вносить его), то существует широкий круг
организаций по стандартизации, которые могут принимать участие в
разработке таких документов. Он включает технические комитеты
СБН (Европейской организации по стандартизации), СЕНБЛБК и
ЕТСИ, а также технические комитеты МЭК и ИСО, при условии,
что последние функционируют с учетом правил, установленных в
Европейском союзе, с применением процедур параллельного
голосования, причем проекты стандартов циркулируют как в МЭК, так и в
СЕННЛЕК для рассмотрения в одно и то же время.
Для того чтобы быть осведомленным о том, затрагивает ли
деятельность вашей компании некоторый существующий или
разрабатываемый стандарт ЭМС, вам необходимо постоянно анализировать
процесс разработки стандартов. Обычно наиболее эффективным
путем для решения этой задачи является участие в деятельности
торговых ассоциаций или изучение материалов на сайтах организаций
по стандартизации. В приведенных ниже разделах настоящей главы
(разделы 2.2 и следующие за ним) последовательно рассмотрены те
стандарты, которые образуют комплект гармонизированных и
основополагающих стандартов, обеспечивающих применение
Директивы ЭМС. Информация об этих стандартах приведена в ОЖ [169].
Кроме того, в настоящем раздело кратко упоминается о
радиостандартах ЭМС, разработанных ЕТСИ, которые сами по себе образуют
большую группу.
2.1.2.2 Радиостандарты ЭМС ЕТСИ
В составе стандартов ЭМС, опубликованных в ОЖ, имеется 47
стандартов, распространяющихся на оборудование радиосвязи. Они
были подготовлены во второй половине девяностых годов и после
введения в действие Директивы о радио- и оконечном
телекоммуникационном оборудовании (R & ТТЕ) вновь прошли через стадию
проектов стандартов и их обозначения были изменены. Поскольку
ЕТСИ имел возможность начать подготовку указанных стандартов
ЭМС самостоятельно с самого начала, то стандарты, входящие в
комплекс радиостандартов ЭМС, оказались в значительно большей
степени согласованными и скоординированными между собой, чем
это имеет место для других стандартов ЭМС, распространяющихся
на однородную продукцию, имевших различные основы для разра-
98 Стандарты
ботки и зачастую связанных с существовавшими ранее
стандартами.
Если изготовляемое вами изделие включает средство радиосвязи,
то вам необходимо будет применять один из этих стандартов. Как
правило, достаточно будет применять только один стандарт» так как
радиостандарты ЭМС в большинстве случаев включают
одновременно требования по ограничению помехоэмиссии и обеспечению
помехоустойчивости. Указанный стандарт будет также содержать
определенные разделы, например» устанавливающие ограничения
полос частот при испытаниях, необходимость введения которых
связана с применением общих требований ЭМС к
радиопередающему или к радиоприемному оборудованию.
2.1.2.3 СЕН
Несколько гармонизированных стандартов ЭМС были
опубликованы Европейской организацией по стандартизации (СЕН),
которая представляет собой организацию, несущую ответственность
за подготовку европейских стандартов» распространяющихся на
неэлектротехнические изделия. Указанные стандарты могут быть
определены, если учесть» что в их обозначениях» после букв БН
приведены цифры» отличающиеся от 50ХХХ, 55ХХХ или 60ХХХ, как
это имеет место для стандартов ЭМС, опубликованных СЕНЕЛЕК.
2.1.2.4 Временной график принятия стандартов
Так как стандарты вводятся или изменяются достаточно часто,
то должен существовать формальный механизм, позволяющий
решать вопрос о том» с какого времени указанные стандарты
(изменения) становятся обязательными. Очевидно» что стандарт
(изменение) нельзя вводить в силу одновременно с публикацией сведений
об этом стандарте в ОЖ» Существующий метод основывается на том,
что в таблице, публикуемой в ОЖ» вводится дополнительная
колонка, озаглавленная «Дата прекращения действия презумпции
соответствия, обеспечиваемой заменяемым стандартом». Как правило,
дата прекращения действия презумпции соответствия совпадает с
датой отмены (DOW) заменяемого стандарта» устанавливаемой
Европейской организацией по стандартизации и указываемой в тексте
европейского стандарта ЕН. Впрочем» в некоторых исключительных
случаях это может быть и не так. Дата отмены стандарта в
типичных случаях устанавливается через 2 — 3 года после
опубликования нового стандарта или изменения.
ЭМС для разработчиков продукции 99
В период времени между датами опубликования нового
стандарта и отмены заменяемого стандарта вам предоставляется право
выбрать для применения при самосертификации изготовляемого
изделия либо новую, либо старую версию стандарта. К сроку,
указанному в ОЖ, вам следует быть уверенным в том, что ваша декларация
о соответствии уже переработана, включая осуществление любых
новых испытаний, которые были установлены в новой версии
стандарта (следует иметь в виду, что в новых стандартах крайне редко
устанавливаются требования менее жесткие, чем в стандартах,
подлежащих замене). Вышеизложенное графически иллюстрировано
на рис. 2.3.
В течение этого периода любая
версия может быть ислольэованна
для самосертификации
Существующая версия к /, . , у
_«. ^ J дата отмены (DOW)
дата опубликования (DOP) I ^
Новая версия или изменение
Рис. 2.3 Ведение изменений к стандартам
нении с заменяемым (частично) стандартом, то действие презумпции
соответствия, обеспечиваемой заменяемым стандартом, прекращается
в установленный срок только для тех изделий, которые входят в
область применения нового стандарта. Презумпция соответствия, обеспе-
стандарт и не распространяется новый стандарт. Рассмотрим в
качестве примера принятие изменения к стандарту. В этом случае могут
одновременно действовать основной стандарт, например, EH XXXXXiYY,
ранее введенные изменения к нему (при их наличии) и новое
изменение, сведения о котором опубликованы в ОЖ. Заменяемый стандарт,
следовательно, включает EH XXXXX:YY и ранее введенные
изменения к нему (при их наличии). К сроку, указанному в ОЖ, действие
презумпции соответствия существенным требованиям Директивы ЭМС,
обеспечиваемой заменяемым стандартом, прекращается.
Предупреждение
Не полагайтесь при подготовке правоспособной декларации о
соответствии только на сведения, приведенные далее в этой книге.
Найдите соответствующие стандарты и обратитесь
непосредственно к ним.
too
Стандарты
2.2 Общие стандарты помехоэмиссии
Перед СЕНБЛБК в свое время была поставлена весьма срочная
задача по подготовке общих стандартов ЭМС, но теперь указанны©
стандарты постепенно заменяются множеством новых стандартов,
Распространяющихся на группы однородной продукции и
продукцию конкретаого вида. Следует отметить особое значение таких
стандартов, как ЕН 55011, ЕН 55014 и ЕН 55022, так как, являясь
стандартами, распространяющимися на группы однородной
продукции, они устанавливают методы испытаний в области эмиссии
радиочастотных помех, исключительно широко применяемые для
оборудования, относящегося к другим группам продукции. По этой
причине они включены в тот же раздел, что и общие стандарты.
2.2.1 ЕН 50081 часть 1:1992
Наименование
Общий стандарт помехоэмиссии. Часть 1: Обстановка жилых,
коммерческих зон и производственных зон о малым энергопотреблением.
Область
применения
все аппараты, предназначенные для использования в жилых,
коммерческих зонах и производственных зонах с малым энергопотреблением,
для которых отсутствуют соответствующие стандарты помехоэмиссии,
распространяющиеся на группы однородной продукции или продукцию
конкретного вида.
NB Считается, что оборудование, устанавливаемое в жилых, коммерческих
зонах и производственных зонах с малым энергопотреблением,
непосредственно подключается к общественным электрическим сетям или к
соответствующим источникам постоянного тока. Типичные места размещения
оборудования - жилые дома, торговые заведения, лаборатории, бизнес-
центры, места работы и отдыха на открытом воздухе.
Испытания
Порт корпуса. Эмиссии излучаемых помех в полосе частот от 30 до
1000 МГц 8 соответствии с ЕН 55022, класс Б.
Нормы применяются только для аппаратов, содержащих процессоры с
гактовой частотой более 9 КГц.
Порт сетевого электропитания. Эмиссия кондуктивных помех в полосе
частот от 150 кГц до 30 МГц в соответствии с ЕН55022, класс Б.
Прерывистые помехи в порте сетевого электропитания, измеряемые на
отдельных частотах в соответствии с ЕН 55014 {при наличии помех).
Эмиссия гармонических составляющих тока, потребляемого
оборудованием из сети электропитания (отметим, что нормы применяются только для
оборудования, на которое распространяется стандарт ЕН 60555-2).
NB Информативное приложение к стандарту устанавливает, что для
включения в ЕН 500881-1 будут предложены дополнительные испытания, когда
будет опубликован соответствующий ссылочный стандарт. Речь идет о
дополнительных испытаниях на соответствие нормам кондуктивных токов
помех в полосе частот от 150 кГц до 30 МГц на сигнальных портах, портах
управления и поргах электропитания постоянного тока. Фактически
ссылочный стандарт, устанавливающий методы осуществления указанных
испытаний, был опубликован в 1998 г. (ЕН 55022, третье издание), но
изменение в ЕН 50081-1 внесено не было. Стандарт ЕН 50081-1 будет, вероятно,
заменен европейской версией стандарта МЭК/СИСПР 61000-6-3.
ЭМС для разработчиков продукции
101
2.2.2 ЕН 50081 часть 2:1993
Наименование
Общий стандарт помехоэмиссии. Часть 2: Обстановка промышленных
Область при-
менения
Все аппараты, предназначенные для использования в промышленных
зонах, для которых отсутствуют соответствующие стандарты
помехоэмиссии, распространяющиеся на группы однородной продукции или
продукцию конкретного вида.
Из области применения исключены радиопередатчики.
NB Аппараты, устанавливаемые в промышленных зонах, не подключаются
к общественным распределительным электрическим сетям. Считается,
что указанные аппараты подключаются к промышленным
распределительным сетям, получающим питание от соответствующих распределительных
трансформаторов.
Испытания
Порт корпуса. Эмиссия излучаемых помех в полосе частот от 30 до
1000 МГц в соответствии с ЕН 55011.
Порт сетевого электропитания. Эмиссия кондуктивных помех в полосе
частот от 150 кГц до 30 МГц в соответствии с ЕН 55011. Стандарт применяется
только для аппаратов, получающих питание от сети переменного тока
напряжением менее 1000 В (среднеквадратическое значение). Импульсные
помехи, возникающие чаще 5 раз в минуту, также подпадают под
действие ЕН 50081-2.
NB Ссылочный стандарт, устанавливающий методы дополнительных
испытаний, включение которых в ЕН 50081-1 было предусмотрено
информативным приложением к стандарту, уже опубликован {ЕН 55022, третье
издание}, но изменение в ЕН 50081-2 внесено не было. Стандарт ЕН 50081-2
будет, вероятно, заменен европейской версией стандарта МЭК 61000-6-4.
2.2.3 ЕН 55011: 1998 + А1: 1999
Наименование
Промышленные, научные и медицинские (ПНМ) радиочастотные устрой-
ства. Характеристики радиопомех. Нормы и методы измерений.
Эквивалентные стандарты
СИСПР11, третье издание.
Область при-
мвнбн ия
Оборудование, изготовленное для того, чтобы генерировать
радиочастотную энергию для промышленных, научных и медицинских целей,
включая злектроэрозионное оборудование, исключая оборудование,
применяемое в электросвязи, а также аппараты, на которые
распространяются другие публикации СИСПР.
Оборудование класса Апредназначенодля применения в любых условиях,
кроме обстановки жилых зон. Оборудование класса Б предназначено для
применения в жилых зонах.
Оборудование группы 1 — оборудование, в котором генерируемая
радиочастотная энергия необходима для внутреннего
функционирования. Оборудование группы 2 — оборудование, в котором генерируемая
радиочастотная энергия необходима для обработки материалов, включая
электроэрозионную обработку.
102
Стандарты
Испытания
Напряжение помех на сетевых зажимах в полосе частот от 150 кГц до 30 МГц,
измеренное на испытательной площадке с использованием эквивалента
сети СИСПР 50 Ом / 50 мкГн Для оборудования группы 2 класса А, в том
числе с потребляемым током, превышающим 100 А на фазу, установлены
менее жесткие нормы помех
Эмиссия излучаемых помех в полосе частот от 30 до 1000 МГц с
измерением на испытательной площадке (класс Б) или на месте установки (только
класс А) Оборудование группы 2 класса А испытывается в полосе частот
от 0,15 до 1000 МГц, но при ослабленных нормах; на частотах ниже 30 МГц
для измерений применяется рамочная антенна
Установлены отдельные нормы для напряженности магнитного поля помех,
создаваемых установками индукционного нагрева пищи в полосе частот от
0,15 до 30 МГц, а также для эмиссии помех в полосе частот от 1 до 18 ГГц,
создаваемых оборудованием группы 2 класса Б, работающим на частотах
выше 400 МГц
2.2.4 ЕН 55014-1: 1993+ А1: 1997+ А2:1999
Наименование
Эквивалентные стандарты
Область
применения
Испытания
Электромагнитная совместимость Требования к бытовым приборам,
электрическим инструментам и аналогичным устройствам Часть 1 Помехоэ-
миссия Стандарт для группы однородной продукции
СИСПР 14-1, третье издание
NB Четвертое издание СИСПР 14-1 было опубликовано в 2000 г, но его
европейский эквивалент не был указан в ОЖ до конца 2000 г
Бытовые приборы, основная функция которых выполняется с помощью
электрических двигателей и переключающих и регулирующих устройств
Из области применения стандарта исключены аппараты, на которые
распространяются другие стандарты СИСПР (кроме многофункциональных
устройств), полупроводниковые регулирующие и управляющие
устройства с потребляемым током более 25 А на фазу и отдельно используемые
источники питания Измерения на месте установки аппаратов находятся на
рассмотрении
Напряжение помех на сетевых зажимах в полосе частот от 148,5 кГц до
30 МГц, измеренное с использованием эквивалента сети СИСПР 50 Ом /
50 мкГн с помощью детекторов кваэипиковых и средних значений Для
электрических инструментов, а также на зажимах для подключения
управляющих и регулирующих устройств, установлены менее жесткие нормы
помех
Мощность излучаемых помех в полосечастототЗОдоЗОО МГц, измеренная
с использованием поглощающих клещей на сетевом проводе с помощью
детекторов квазипиковых и средних значений. Нормы мощности помех не
применяются для бытовых приборов, питающихся от батарей, которые не
могут быть подключены к сети электропитания, регулирующих устройств
с использованием полупроводниковых схем, выпрямителей, устройств для
зарядки батарей и преобразователей напряжения
2.2.5 ЕН 55022:1998
Наименование
Оборудование информационных технологий Характеристики радиопомех
Нормы и методы измерений
Эквивалент'
ные стандарты
СИСПР 22, третье издание
ЭМС для разработчиков продукции
103
Область
применения
Оборудование, выполняющее основную функцию, связанную с вводом,
хранением, отображением, поиском, передачей, обработкой,
коммутацией или управлением данных и сообщений связи, которое при этом может
быть снабжено одним или несколькими портами, используемыми обычно
для передачи информации, имеющее номинальное напряжение питания
не более 600 В.
Оборудование класса А предназначено для применения в любых условиях,
кроме обстановки жилых зон Оборудование класса Б предназначено для
применения в жилых зонах
Испытания
Напряжение помех на сетевых зажимах в полосе частот от 150 кГц до 30 МГц,
измеренное с использованием эквивалента сети СИСПР 50 Ом / 50 мкГн с
помощью детекторов квазипиковых и средних значений
Напряженность поля помех в полосе частот от 30 до 1000 МГц при
измерении на открытой испытательной площадке с расстоянием Юме помощью
детектора квазипиковых значений
Сила тока или напряжение кондуктивных помех (нормы установлены
применительно к общему несимметричному сопротивлению 150 Ом) в полосе
частот от 150 кГц до 1000 МГц на портах связи, которые определяются как
"порты, предназначенные для подключения к сетям связи (например,
общественным коммутируемым сетям проводной связи, цифровым
интегрированным сетям общего пользования (ISDN), сетям проводной связи,
применяемым в ограниченных зонах (например, Этернет, Токен Ринг) и
аналогичным сетям связи)". Для различных видов подключения кабелей в
стандарте установлены различные методы измерений
NB Для третьего издания дата прекращения презумпции соответствия,
обеспечиваемой стандартом ЕН 55022, второе издание (т е дата
окончательной замены второго издания, в котором не установлены методы изме-
рений помех на портах связи) назначена на 1 августа 2002т
2.3 Общие стандарты помехоустойчивости
2.3.1 ЕН 50082 часть 1:1997
Наименование
Эквивалентные стандарты
Область
применения
Общий стандарт помехоустойчивости Часть 1. Обстановка жилых,
коммерческих зон и производственных зон с малым энергопотреблением
МЭК 61000-6-1
Все аппараты, предназначенные для использования в жилых,
коммерческих зонах и производственных зонах с малым энергопотреблением, для
которых отсутствуют соответствующие стандарты помехоустойчивости,
распространяющиеся на группы однородной продукции или продукцию
конкретного вида
NB Такие аппараты предназначены для непосредственного подключения к
общественным электрическим сетям или к соответствующим источникам
постоянного тока. Типичные места размещения оборудования - жилые
дома, торговые заведения, лаборатории, бизнес-центры, зоны
общественных развлечений, места работы и отдыха на открытом воздухе
104
Стандарты
Испытания
Электростатические разряды на порт корпуса в соответствии с ЕН 61000-4-
2 при напряжении 8 кВ (воздушный разряд) или 4 кВ (контактный разряд)
Излученное радиочастотное электромагнитное поле в полосе частот от
80 МГц до 1000 МГц соответствии с ЕН 61000-4-3 при напряженности 3
В/м, а также, для испытаний цифровых радиотелефонов,
электромагнитное поле на отдельной частоте 900 МГц с импульсной модуляцией в
соответствии с ЕН 50204
Наносекундные импульсные помехи 5/50 не (общее несимметричное
напряжение) в соответствии с ЕН 61000-4-4, подаваемые на все
функциональные порты заземления, электропитания и некоторые порты ввода-
вывода, амплитудой от 0,5 до 1 кВ, в зависимости от вида порта и метода
подачи помехи
Микросекундные импульсные помехи большой энергии, в соответствии с
ЕН 61000-4-5, подаваемые на входные порты электропитания при
напряжении 2 кВ по схеме "провод-земля" и 1 кВ по схеме "провод-провод", а
также на некоторые входные порты электропитания постоянного тока при
напряжении 0,5 кВ
Радиочастотные кондуктивные помехи амплитудой 3 В (среднеквадрати-
ческое значение) (общее несимметричное напряжение) в полосе частот от
150 кГц до 80 МГц в соответствии с ЕН 61000-4-6, подаваемые на все порты
электропитания переменного тока, порты заземления и некоторые порты
ввода-вывода
Магнитное поле частоты 50 Гц напряженностью 3 А/м в соответствии с
ЕН 61000-4-8, применяется только для аппаратов, содержащих устройства,
восприимчивые к магнитному полю
Провалы и прерывания напряжения на входных портах электропитания
переменного тока, в соответствии с ЕН 61000-4-11
NB Применимость многих из указанных выше требований зависит от длины
линий, которые могут быть подключены к определенным портам
Критерии
Для оценки результатов испытаний предлагаются три критерия
качества функционирования:
• аппарат продолжает функционировать по назначению и
качество функционирования не ухудшается ниже пределов,
установленных изготовителем;
• аппарат продолжает функционировать по назначению после
испытаний, но во время проведения испытаний допускается
некоторое ухудшение качества функционирования;
• допускается временная потеря функции, которая
самовосстанавливается или требует для восстановления вмешательства
оператора.
ЭМС для разработчиков продукции
105
2.3.2 ЕН 50082 часть 2:1995 (ЕН 61000-6-2: 1999)
Наименование Общий стандарт помехоустойчивости Часть 1' Обстановка промышленных зон
Область
применения
Аппараты, предназначенные для использования в промышленных зонах,
для которых отсутствуют соответствующие стандарты помехоэмиссии,
распространяющиеся на группы однородной продукции или продукцию
конкретного вида
Из области применения исключены радиопередатчики
NB Аппараты, устанавливаемые в промышленных зонах, не подключаются
к общественным электрическим сетям Считается, что указанные аппараты
подключаются к промышленным распределительным сетям, получающим
питание от соответствующих распределительных трансформаторов
Аппараты, получающие питание от батарей, предназначенные для использования
в промышленных зонах, также подпадают под действие этого стандарта
Испытания
Электростатические разряды на порт корпуса в соответствии с ЕН 61000-4-2
при напряжении 8 кВ (воздушный разряд) или 4 кВ (контактный разряд)
Излученное радиочастотное электромагнитное поле в полосе частот от
80 МГц до 1000 МГц соответствии с ЕН 61000-4-3 (см МЭК 61000-4-3) при
напряженности 10 В/м, исключая радиовещательные диапазоны 87-108
МГц, 174-230 МГц и 470-790 МГц, где напряженность равна 3 В/м, а также,
для испытаний при воздействии помех от цифровых радиотелефонов,
электромагнитное поле на отдельной частоте 900 МГц с импульсной
модуляцией в соответствии с ЕН 50204
Магнитное поле частоты 50 Гц напряженностью 30 А/м в соответствии с
ЕН 61000-4-8 применяется только для аппаратов, содержащих устройства,
восприимчивые к магнитному полю
Наносекундные импульсные помехи 5/50 не (общее несимметричное
напряжение) в соответствии с ЕН 61000-4-4, подаваемые на все порты ввода-
вывода и электропитания амплитудой от 1 до 2 кВ, в зависимости от вида
порта и метода подачи помехи
Радиочастотные кондуктивные помехи, подаваемые на все порты
электропитания переменного тока, ввода-вывода и заземления амплитудой 10 В
(среднеквадратическое значение) (общее несимметричное напряжение) в
полосе частот от 150 кГц до 80 МГц в соответствии с ЕН 61000-4-6,
исключая радиовещательные диапазоны 87-108 МГц, 174-230 МГц и 470-790 МГц,
где напряжение равно 3 В
NB Информативное приложение к стандарту устанавливает, что для
включения в ЕН 50082-2 будут предложены дополнительные испытания, когда
будут опубликованы соответствующие ссылочные стандарты (см ниже
перечисление "эквивалентные стандарты") Указанные дополнительные
испытания включают
• кондуктивные сетевые помехи частотой 50 Гц (общее несимметричное
напряжение), подаваемые на сигнальные порты и порты управления
напряжением 10 или 20 В (в зависимости от вида порта)
(среднеквадратическое значение);
• изменения, прерывания и колебания напряжения электропитания,
а также напряжения гармоник частоты сети, подаваемые на порты
электропитания переменного тока;
• микросекундные импульсные помехи большой энергии, в соответствии
с ЕН 61000-4-5, подаваемые на порты электропитания, ввода-вывода
сигналов, измерения и управления ( общее несимметричное и
симметричное напряжение) с амплитудой, зависящей от вида портов.
NB Применимость многих из указанных выше требований зависит от длины
линий, которые могут быть подключены к определенным портам
106 Стандарты
Критерии
Для оценки результатов испытаний предлагаются три критерия
качества функционирования:
• аппарат продолжает функционировать по назначению и
качество функционирования не ухудшается ниже пределов,
установленных изготовителем;
• аппарат продолжает функционировать по назначению после
испытаний, но во время проведения испытаний допускается
некоторое ухудшение качества функционирования;
• допускается временная потеря функции, которая
самовосстанавливается или требует для восстановления вмешательства
оператора
дарты
ЕН 50082-2 заменяется на ЕН 61000-6-2 1999 с датой прекращения
презумпции соответствия 1 апреля 2002 г
В результате замены стандартов имеют место следующие
принципиальные различия ссылки на ENV 50140 заменены ссылками на ЕН 61000-4-3 и
Э а ент- ЕН 61000-4-6 соответственно, отдельное испытание по требованиям ENV
* 50204 исключено, различие между портами ввода-вывода сигналов и
портами управления устранено, испытания на соответствие
требованиям ЕН 61000-4-5 применены ко всем портам электропитания переменного
тока и некоторым портам электропитания постоянного тока и портам
ввода-вывода сигналов, добавлены испытания на соответствие требованиям
ЕН 61000-4-11 для портов электропитания переменного тока, исключены
ссылки в области применения на аппараты с батарейным питанием
2.4 Основополагающие стандарты — МЭК 61000
Серия стандартов МЭК 61000 состоит из нескольких частей (см.
таблицу 2.3). В настоящем разделе рассматриваются лишь те части
серии МЭК 61000, которые связаны с применением испытательного
оборудования. Стандарты, относящиеся к части 2
(электромагнитная обстановка), являются полезными для понимания многих
аспектов ЭМС, касающихся электромагнитной обстановки, но не
устанавливают требований и методов испытаний. Стандарты,
относящиеся к части 5 (руководства по установке и помехоподавлению),
предназначены, прежде всего, для специалистов по
проектированию, установке и монтажу систем. Отметим, что обозначение
любого европейского эквивалента стандарта МЭК можно получить, если
записать ЕН 6ХХХХ вместо МЭК 6ХХХХ. Указанные стандарты
являются (в большинстве случаев) технически эквивалентными
(некоторые европейские стандарты могут представлять собой так
называемые «общеевропейские модификации»). Вместе с тем
европейские стандарты имеют дополнительное предисловие, в котором
ЭМС для разработчиков продукции
107
устанавливается, каким образом стандарт должен быть применен
для целей сертификации.
2.4.1 МЭК 61000-3
Наименование
Электромагнитная совместимость Часть 3 Нормы *
Эквивалентные стандарты
ЕН 61000-3-Х
Ранее действовавшим стандартом, устанавливающим требования для
бытовых электрических приборов, являлся МЭК 60555-Х (ЕН 60555-Х),
который был заменен ЕН 61000-3-Х
Область
применения
Разделы 2 и 3 ЕН 61000-3 распространяются на электрическое и
электронное оборудование с потребляемым током, равным или меньшим
16 А в одной фазе, предназначенным для подключения к общественным
низковольтным распределительным электрическим сетям (с номинальным
напряжением 220 В или выше) Указанные два раздела имеют дату
прекращения презумпции соответствия 1 января 2001 г
* Хотя стандарты МЭК 61000-3 и имеют общее наименование
«Нормы», они тем не менее не имеют отношения к нормам эмиссии
радиочастотных помех, установление которых является задачей
СИСПР.
Раздел 2:1995 Нормы эмиссии гармонических составляющих
тока
Испытания
Измерения гармонических составляющих тока, потребляемого из
электрической сети частотой 50 Гц, при частотах гармоник до 2 кГц, с
использованием анализатора формы сигнала и токового шунта или трансформа-
гора (см раздел 3 2)
Нормы
Для оборудования класса А (симметричных трехфазных изделий и изделий
других видов, исключая относящиеся к классам В, С и D), установлены
номы абсолютных значений гармонических составляющих тока для четных
и нечетных гармоник до 40-го порядка
Для оборудования класса В (переносных электрических инструментов)
применяются нормы для оборудования класса А, умноженные на
коэффициент 1,5
Для оборудования класса С (световые приборы, включая устройства
регулирования) нормы имеют относительный характер, выражаются в процентах от
силы тока на основной частоте и распространяются только на нечетные
гармоники до 39-го порядка Устройства регулирования должны
соответствовать нормам для оборудования класса А Световое оборудование с активной
потребляемой мощностью, не превышающей 25 Вт, должно удовлетворять
либо нормам класса А, либо специальным нормам, для 3,5 7 и 9 гармоник,
выраженным в процентах от силы тока на основной частоте.
К оборудованию класса D относится оборудование с потребляемым током,
характеризующимся "специальной формой кривой", см рис 3 20, и активной
потребляемой мощностью в пределах от 75 до 600 Вт Для оборудования
указанного вида, к которому относится большинство электронных источников
питания, нормы выражаются в мА на один ватт мощности оборудования и
устанавливаются только для нечетных гармонических составляющих до 39-го порядка
108
Стандарты
Изменение
А14
Существенные изменения в стандарт МЭК 61000-3-2 были внесены
Изменением А14, опубликованным в 2000 г Сведения об Изменении А14 были
приведены в ОЖ 14 декабря 2000 г, непосредственно перед тем
соответствие требованиям ЕН 61000-3-2 стало обязательным (с 1 января 2001
г) Основные изменения заключаются втом, что требования для
оборудования класса D применяются только к персональным компьютерам и
телевизионной аппаратуре, причем проверка "специальной формы кривой" не
требуется Изменения более детально обсуждаются в разделе 3 2 3
Раздел 3:1994 Ограничение колебаний напряжения и
фликера в низковольтных системах электроснабжения
Измерения колебаний напряжения с использованием фликерметра,
соответствующего требованиям МЭК 868, или с применением аналитического
метода при питании испытуемого оборудования от источника с
определенным эталонным полным сопротивлением (см раздел 3 2 4)
Нормы применяются для максимально допустимых относительных
изменений напряжения (в процентах) (d) в функции от числа колебаний
напряжения в секунду или в минуту (Pst)
Изменение к стандарту, опубликованное в начале 2001 г, уточняет
некоторые нормы колебаний напряжения и устанавливает, что указанные
нормы применяются к колебаниям напряжения, возникающим в моменты
включения аппаратов, те стандарт устанавливает нормы допустимых
пусковых токов
Раздел 4: 1998 Ограничение эмиссии гармонических токов в
низковольтных системах электроснабжения для
оборудования с номинальным током, превышающим 16 А
Опубликован в качестве технического доклада
Раздел 5: 1994 Ограничение колебаний напряжения и
фликера в низковольтных системах электроснабжения для
оборудования с номинальным током, превышающим 16 А
Опубликован в качестве технического доклада
Раздел 11:2000 Ограничение отклонений напряжения,
колебаний напряжения и фликера в общественных низковольтных
системах электроснабжения — Оборудование с
номинальным током, не превышающим 75 А, подключаемое к
электрическим сетям при установленных условиях
Это стандарт, эквивалентный МЭК 61000-3-3,
распространяющийся на оборудование значительной мощности, с потребляемым
током, превышающим 16 А в одной фазе. Сведения о стандарте были
приведены в ОЖ 1 ноября 2001 г. с датой прекращения действия
ЭМС для разработчиков продукции 109
презумпции соответствия 1 ноября 2003 г. Стандарт вводит нормы,
установленные в МЭК 61000-3-3, но обеспечивает большую свободу
при установлении полного сопротивления источника
испытательного напряжения, таким образом, чтобы требования к полному
сопротивлению источника соответствовали реальным условиям
подключения оборудования. Стандарт основывается на МЭК 61000-3-3,
нормы которого еще применимы для оборудования с потребляемым
током более 75 А.
Раздел 12: Нормы гармонических токов, создаваемых
оборудованием, подключенным к общественным
низковольтным системам электроснабжения. Оборудование с
потребляемым током, не превышающим 75 А в одной фазе,
подключаемое к электрическим сетям при установленных
условиях
Стандарт еще не опубликован. Будет представлять собой
стандарт, эквивалентный МЭК 61000-3-2, распространяющийся на
оборудование большей мощности, с потребляемым током,
превышающим 16. Предназначен для замены МЭК 61000-3-4.
2.4.2 МЭК 61000-4
Область
применения
Методы испытаний и измерений, относящиеся к электрическому и
электронному оборудованию Основополагающие стандарты ЭМС
Критерии
Результаты испытаний должны быть классифицированы
следующим образом:
• нормальное функционирование в соответствии с
требованиями, установленными в технической документации на
оборудование;
• временное ухудшение качества функционирования или
прекращение выполнения установленной функции с
последующим самовосстановлением нормального
функционирования;
• временное ухудшение качества функционирования или
прекращение выполнения установленной функции, которые
требуют вмешательства оператора или перезапуска
системы;
• ухудшение качества функционирования или прекращение
пытюлнения угтпноплонной функции, которые но подлежат
110
Стандарты
восстановлению из-за повреждения оборудования
(компонентов), нарушения программного обеспечения или потери
данных.
NB Некоторые из разделов МЭК 61000-4, изданные в первую
очередь, были разработаны первоначально для применения к
средствам измерения и аппаратуре управления процессами и были
опубликованы как части МЭК 801.
Раздел 1: Обзор испытаний на помехоустойчивость
Раздел 1 МЭК 61000-4 не является стандартом методов
испытаний на помехоустойчивость. Целью стандарта является
«обеспечить технические комитеты МЭК и другие органы по
стандартизации, пользователей и изготовителей электрических
и электронных изделий общими и всесторонними сведениями о
стандартах и испытаниях на помехоустойчивость, а также дать
общее руководство по выбору и применению указанных
испытаний».
Раздел 2:1995 Электростатические разряды
Эквивалентный стандарт
Испытания
Жесткость
испытаний
ЕН 61000-4-2
На заранее выбранные точки оборудования, доступные для персонала в
условиях нормального использования, воздействуют по меньшей мере
десятью одиночными разрядами при полярности, к которой испытуемое
оборудование является наиболее восприимчивым Должен быть использован
метод контактного разряда Если это является невозможным,
используется метод воздушного разряда Кроме того, десять одиночных разрядов
должны быть приложены к пластине связи, удаленной от испытуемого
оборудования на расстояние 0,1 м
Уровни жесткости от 2 кВ до 15 кВ (8 кВ при контактных разрядах) в
зависимости от условий установки и окружающей среды
Раздел 3:1995 Излученное радиочастотное электромагнитное
поле
Эквивалентный стандарт
ЕН 61000-4-3 (следует учитывать, что к МЭК 61000-4-3 и ЕН 61000-4-3
имеются общие изменения)
ЭМС для разработчиков продукции
111
Испытания
Излученное радиочастотное электромагнитное поле создается антенной
в экранированной безэховой камере с использованием метода замещения
(с предварительной калибровкой поля) Частота колебаний изменяется от
80 МГц до 1000 МГц при скорости перестройки менее 1,5-10-3 декада/с
В случае шаговой перестройки частоты величина шага не должна
превышать 1% основной частоты Время воздействия испытательного поля на
каждой частоте должно быть не менее времени, необходимого для проверки
качества функционирования испытуемого оборудования Необходимо
проведение восьми (двенадцати) испытаний, в том числе по одному для каждой
поляризации испытательного поля при воздействии поля на каждую из
четырех сторон оборудования (если испытуемое оборудование эксплуатируют в
вертикальном и горизонтальном положениях, испытания проводят при
облучении всех его сторон) Неоднородность испытательного поля в безэховой
камере должна быть такой, чтобы в 12 контрольных точках из 16 квадратной
поверхности размерами 1,5 1,5 м, совпадающей с лицевой поверхностью
испытуемого оборудования, она не превышала от-0 до + бдБ
Допускается использование альтернативного метода испытаний,
основанного на использовании полосковой линии или ТЕМ-камеры При этом
должны быть удовлетворены требования к неоднородности поля и к
расположению испытательного оборудования и соединительных кабелей,
установленные в стандарте
В соответствии с Изменением А1* 1998 уточнен метод калибровки
испытательного поля и дополнительно предусмотрены испытания на частотах от
1,4 ГГц до 2 ГГц
Жесткость
испытаний
Уровни жесткости 1, 3 и 10 В/м (или больше) (при немодулированном
сигнале) в зависимости от ожидаемой электромагнитной обстановки
(относительно излучаемых ЭМП). При испытаниях подаваемый на антенну
сигнал должен быть модулирован по амплитуде синусоидальным сигналом
частотой 1 кГц при глубине модуляции 80%
Раздел 4:1995 Наносекундные импульсные помехи
Эквивалентный стандарт
Испытания
Жесткость
испытаний
ЕН 61000-4-4
Пачки наносекундных импульсных помех (длительность фронта импульса
5 не, длительность импульса 50 не) при частоте повторения импульсов
5 кГц и длительности пачки 15 мс подаются при обоих полярностях между
каждым из зажимов оборудования, предназначенных для подключения
электрической сети (включая зажим защитного заземления) и эталонной
плоскостью заземления или подаются с использованием емкостных
клещей связи на цепи ввода-вывода и телекоммуникационные линии
Уровни жесткости 0,5, 1, 2 и 4 кВ при подаче наносекундных импульсных
помех на линии электропитания и составляющие половину от этих
значений при подаче помех на линии сигналов, передачи данных и управления,
в зависимости от ожидаемых электромагнитной обстановки и условий
установки
Раздел 5: 1995 Микросекундные импульсные помехи
большой энергии
Эквивалентный стандарт
ЕН 61000-4-5
112
Стандарты
Испытания
Подаются не менее 5 импульсов положительной и 5 импульсов
отрицательной полярности при частоте повторения не более 1 импульса в минуту с
параметрами импульса напряжения 1/50 мкс и импульса тока 6,4/16 мкс
от генератора с выходным полным сопротивлением 2 Ом по схеме
"провод-провод" на линии электропитания переменного/постоянного тока,
от генератора с выходным полным сопротивлением 12 Ом по схеме
"провод-земля" на линии электропитания переменного/постоянного тока, от
генератора с выходным полным сопротивлением 42 Ом по схеме
"провод-провод" и "провод-земля" на цепи ввода-вывода (с использованием
емкостной связи или связи через газовые разрядники)
Уровни жесткости 0,5, 1,2 и 4кВ выбираются в зависимости от
ожидаемых и условий установки и вида линий, коме того, могут быть поданы
помехи при всех более низких уровнях жесткости
Жесткость
испытаний
Раздел 6: Кондуктивные помехи, наведенные
радиочастотными электромагнитными полями
Эквивалентный стандарт
Испытания
Жесткость
испытаний
ЕН 61000-4-6
Радиочастотное напряжение помехи, перестраиваемой по частоте при
скорости перестройки менее 1,5 10 3 декада/с, или в случае шаговой
перестройки частоты, при величине шага, не превышающей 1% основной
частоты, подается с помощью устройства связи/развязки (УСР) на все
порты испытуемого оборудования, предназначенные для подключения
кабелей Время воздействия помехи на каждой частоте должно быть не
менее времени, необходимого для проверки качества функционирования
испытуемого оборудования Частота помехи перестраивается в полосе от
150 кГц до 80 Мгц (возможно до 230 МГц) При отсутствии подходящих УСР
или их неприменимости, альтернативным методом подачи помехи может
быть применение электромагнитных или токовых клещей связи (исключая
подачу помехи на линии электропитания)
NB При проведении испытаний в полосе частот от 80 МГц до 230 МГц частота
воздействующей кондуктивной помехи совпадает с частотой
воздействующего электромагнитного поля при испытании по МЭК 61000-4-3 В этой полосе
частот испытания по МЭК 61000-4-6 могут быть проведены для испытуемого
оборудования значительных размеров вместо испытаний по МЭК 61000-4-3
Уровни жесткости 1, 3 и 10 В/м (среднеквадратическое значение) (при
немодулированном сигнале) в зависимости от ожидаемой
электромагнитной обстановки (относительно излучаемых ЭМП) При испытаниях
подаваемый сигнал должен быть модулирован по амплитуде синусоидальным
сигналом частотой 1 кГц при глубине модуляции 80%
Раздел 8:1993 Магнитное поле промышленной частоты
Эквивалентный стандарт
Испытания
Жесткость
испытаний
ЕН 61000-4-8
Продолжительное и кратковременно воздейсгвующее магнитное поле
промышленной частоты создается индукционной катушкой адекватных
размеров, размещаемой таким образом, чтобы обеспечить
последовательное воздействие магнитного поля на испытуемое оборудование в трех
ортогональных плоскостях
Продолжительное магнитное поле 1,3,10,30 или 100 А/м, кратковременно
воздействующее магнитное поле (от 1 до 3 с) 300 или 1000 А/м (только для
высших уровней жесткости)
ЭМС для разработчиков продукции
Раздел 9: 1993 Импульсное магнитное поле
113
Эквивалентный стандарт
Испытания
Жесткость
испытаний
ЕН 61000-4-9
Применяются в основном для электронного оборудования,
устанавливаемого на электростанциях Магнитное поле создается индукционной
катушкой адекватных размеров, размещаемой таким образом, чтобы
обеспечить последовательное воздействие магнитного поля на испытуемое
оборудование в трех ортогональных плоскостях Подаются не менее
5 импульсов тока положительной и 5 импульсов тока отрицательной
полярности при частоте повторения не более 1 импульса в 10 с с параметрами
импульса тока 6,4/ 16 мкс
100,ЗООиЮООА/м
Раздел 10:1993 Затухающее колебательное магнитное поле
Эквивалентный стандарт
Испытания
Жесткость
испытаний
ЕН 61000-4-10
Применяются в основном для электронного оборудования,
устанавливаемого на электростанциях Магнитное поле создается индукционной
катушкой адекватных размеров, размещаемой таким образом, чтобы
обеспечить последовательное воздействие магнитного поля на испытуемое
оборудование в трех ортогональных плоскостях Подаются затухающие
колебательные токи частотой 0,1 или 1 МГц при частоте повторения 40 или
400 посылок в секунду Степень затухания колебаний должна быть такой,
чтобы пиковое значение уменьшилось на 50% между третьим и шестым
периодами
10,30иЮ0А/м
Раздел 11:1994 Провалы, кратковременные прерывания и
изменения напряжения
Эквивалентный стандарт
Область
применения
Испытания
ЕН 61000-4-11
Электрическое и электронное оборудование с потребляемым током, не
превышающим 16 А в одной фазе, получающее питание от низковольтных
силовых электрических сетей (исключая оборудование, подключаемое к
электрическим сетям постоянного тока и сетям переменного тока
частотой 400 Гц)
Провалы и короткие прерывания напряжения электропитания,
начинающиеся при любом фазовом угле, с уровнями 0%, 40% и 60% номинального
напряжения и длительностями от 0,5 до 50 периодов
Постепенные изменения напряжения электропитания до уровня, равного
40% и 0% номинального напряжения и последующие восстановления
напряжения, длительность которых составляет от начала уменьшения
напряжения до достижения испытательного уровня - 2 с, от начала
восстановления напряжения до достижения номинального значения - 2 с
Длительность подачи напряжения при испытательном уровне 40% или 0%
составляет 1 с
114
Стандарты
Раздел 12:1993 Колебательные затухающие помехи
Эквивалентный стандарт
Испытания
Жесткость
испытаний
ЕН 61000-4-12
Одиночные колебательные затухающие помехи с временем нарастания
напряжения (первый пик) 0,5 мкс, частотой колебаний 100 кГц, степенью
затухания (уменьшения амплитуды каждого пика по отношению к пре-ды-
дущему) 60%, частотой повторения от 1 до 6 посылок в минуту подаются
от генератора с выходным полным сопротивлением 12, 30 или 200 Ом в
общем несимметричном или симметричном режиме на порты
электропитания, сигнальные и контрольные порты Для подачи помех используются
устройства связи/развязки Повторяющиеся колебательные затухающие
помехи с теми же характеристиками напряжения, что и характеристики
затухающего колебательного магнитного поля при испытаниях по МЭК
61000-4-10, подаются на время не менее 2 с от генератора с выходным
полным сопротивлением 200 Ом на порты испытуемого оборудования Для
подачи помех используются такие же устройства связи/развязки, как и при
подаче одиночных затухающих колебательных помех
Одиночные колебательные затухающие помехи 0,5, 1,2 и 4 кВ при общем
несимметричном режиме, половина указанных значений при
симметричном режиме
Повторяющиеся колебательные затухающие помехи 0,5, 1 и 2 кВ при
общем несимметричном режиме, половина указанных значений при
симметричном режиме
2.5 Стандарты, распространяющиеся на
однородную продукцию
Комплект стандартов ЭМС, распространяющихся на однородную
продукцию (исключая ЕН 55011, ЕН 55014-1 и ЕН 55022, см.
разделы 2.2.3-2.2.5), сведения о которых приведены в настоящем разделе,
разделен на «основные» и «другие» стандарты. Это, конечно,
совершенно произвольное разделение; вполне естественно, например,
что водитель такси должен будет полагать, что именно ЕН 50148,
является наиболее важным стандартом ЭМС в мире. Достаточно
сомнительным оправданием более детального рассмотрения
«основных» стандартов в сравнении с «другими» является просто то
обстоятельство, что «основные» стандарты распространяются, как
правило, на большую (в количественном или стоимостном выражении)
совокупность изделий. В настоящий раздел включены данные о всех
стандартах (исключая радиостандарты ЭМС), сведения о которых
были на момент подготовки книги к изданию опубликованы в ОЖ
[169]. Эти данные приведены либо в главной части раздела, либо, в
краткой форме, в конце раздела.
Выбор стандарта для конкретного изделия
Если вы из совокупности стандартов ЭМС, распространяющихся
на однородную продукцию, выбираете стандарт для самосертифика-
ЭМС для разработчиков продукции 115
ции конкретного изделия, то ваш выбор может быть вначале
основан на наименовании стандарта. Иногда этого бывает достаточно, но
иногда может быть не вполне ясно, какой из нескольких стандартов
следует применить. Без консультации с экспертом единственный
способ решения этого вопроса заключается в том, чтобы получить
все указанные стандарты, прочитать, по крайней мере, их области
применения (часто у вас может не хватить терпения дочитать текст
до приложений, приведенных в конце стандарта), а затем принять
решение с учетом большей информированности. Стандарты ЕТСИ
могут быть получены в Интернете. Однако на всех стандартах,
основанных на документах МЭК, имеется знак «копирайт», вследствие
чего получить их непосредственно на сайтах невозможно и вы
должны будете заплатить за них. Учитывая непрерывное давление со
стороны заинтересованных пользователей стандартов, это положение
может в будущем измениться.
Многие из стандартов, распространяющихся на однородную
продукцию, имеют даты прекращения действия презумпции
соответствия, обеспечиваемой заменяемыми стандартами (обычно общими
стандартами ЭМС), установленные на 2001 или 2002 гг. Опыт
введения новых стандартов показывает, что в то время, как некоторые
смотрящие вперед изготовители проводят испытания своих изделий
на соответствие требованиям новых стандартов, срок введения
которых уже установлен, большинство изготовителей так не поступает.
Создается впечатление, что в промышленности существует
некоторая общепринятая «концепция», заключающаяся в том, что если
вы уладили все дела с определенным комплектом стандартов, то
можете эти стандарты применять вечно. Обычным делом является
обнаружение декларации о соответствии нового изделия
требованиям ЭМС, в которой изготовитель с гордостью сообщает, что его
продукция отвечает требованиям, скажем, ЕН 50082-1:1992, хотя этот
стандарт был заменен вторым изданием в 1997 г. и установленные в
нем требования с трудом выдерживают сравнение с требованиями,
установленными в последней версии общего стандарта и в стандарте
для конкретного изделия. Такое положение может быть исправлено,
если будут существовать следующие условия:
• производственные компании получают преимущества за счет
активного использования новых стандартов;
• наиболее осведомленные покупатели требуют обеспечить
соответствие новым стандартам;
116
Стандарты
• организовано тщательное наблюдение за рынком со стороны
уполномоченного сотрудника, понимающего, какое значение
имеют сроки введения новых стандартов.
2.5.1 Радиовещательные приемники и связанное с ними
оборудование
Наименование
Эквивалентный стандарт
Область
применения
Испытания
Нормы и методы измерений характеристик радиопомех от
радиовещательных приемников и связанного с ними оборудования
СИСПР13
Радиовещательные звуковые и телевизионные приемники и связанное с
ними оборудование, предназначенное для подключения непосредственно
к указанным приемникам или для генерирования и воспроизведения
аудио- или визуальной информации, например аудиоаппаратура, кассетные
видеомагнитофоны, проигрыватели компакт-дисков,
электромузыкальные инструменты
Оборудование информационных технологий, как определено в ЕН 55022,
исключается из области применения данного стандарта
NB ЕН 55013 1990 выводит аудиоаппаратуру из области применения
ЕН 55014
Напряжение помех на сетевых зажимах в полосе частот от 150 кГц до 30 МГц,
измеренное с использованием эквивалента сети СИСПР 50 Ом/50 мкГн
Напряжение помех на вводе антенны в полосе частот 30 - 1000 МГц,
создаваемое местным гетеродином и другими источниками Для автомобильных
радиоприемников установлены менее жесткие нормы
Напряженность поля излучаемых помех, создаваемых местным
гетеродином на основной частоте и гармониках, в полосе частот от 80 до 1000 МГц
при измерении на открытой испытательной площадке с расстоянием 3 м
Изменение А14 дополнительно устанавливает нормы СИСПР для
излучаемых помех от цифровых процессоров, причем в течение трех лет
предусмотрено применение ослабленных норм
Мощность излучаемых помех, создаваемых оборудованием,
подключаемым к приемникам, (исключая видеомагнитофоны) измеренная с
использованием поглощающих клещей в полосе частот от 30 до 300 МГц на всех
проводниках, длина которых равна или превышает 25 см
Нормы напряжения помех на сетевых зажимах и мощности помех
эквивалентны нормам, установленным в ЕН 55014 Нормы напряженности
поля излучаемых помех, создаваемых местным гетеродином на основной
частоте и гармониках, на 12- 20 дБ выше норм эмиссии класса Б,
установленных для изделий других видов
Помехоустойчивость: ЕН 55020: 1994 + А11, А12, А13, А14
Наименование
Устойчивость радиовещательных приемников и связанного с ними
оборудования к радиопомехам
Эквивалентный стандарт
СИСПР20
ЭМС для разработчиков продукции
117
Область
применения
Испытания
Критерии
Радиовещательные звуковые и телевизионные приемники и связанное с
ними оборудование, предназначенное для подключения непосредственно
к указанным приемникам или для генерирования и воспроизведения
аудио- или визуальной информации, например аудиоаппаратура, кассетные
видеомагнитофоны, проигрыватели компакт-дисков,
электромузыкальные инструменты
Оборудование информационных технологий, в соответствии с
определением, приведенным в ЕН 55022, исключается из области применения
данного стандарта
Требования помехоустойчивости не применяются для радиовещательных
звуковых и телевизионных приемников с батарейным питанием, а также
для звуковых и телевизионных приемников, не имеющих зажимов для
подключения внешней антенны
Помехоустойчивость при воздействии нежелательных сигналов,
присутствующих на зажимах антенны При этом радиоприемные устройства
ОВЧ-Н диапазона частот испытываются при воздействии нежелательных
сигналов как в полосе частот полезного сигнала, так и вне этой полосы,
с уровнем до 85 дБ (мкВ), телевизионные приемники испытываются при
воздействии нежелательных модулированных сигналов в полосе частот
смежного канала с уровнем до 80 дб (мкВ)
Помехоустойчивость при воздействии кондуктивных помех в полосе частот
от 150 кГц до 150 МГц, присутствующих на сетевых зажимах и на входных и
выходных зажимах тракта звуковой частоты приемников (исключая
радиовещательные приемники с AM и автомобильные радиоприемники) и
многофункционального оборудования Для входных и выходных зажимов тракта
звуковой частоты установлены менее жесткие нормы на низких частотах,
чем для сетевых зажимов, зажимов для подключения громкоговорителей
и головных телефонов Каналы настройки и полосы вблизи промежуточных
частот исключаются
Помехоустойчивость при воздействии токов помех в полосе частот от
26 МГц до 30 МГц на антенные цепи приемников (включая
радиовещательные приемники с AM и автомобильные радиоприемники) и
многофункциональное оборудование
Помехоустойчивость при воздействии излученного электромагнитного
поля в полосе частот от 150 кГц до 150 МГц на приемники и
многофункциональное оборудование Испытания проводятся с использованием
открытой полосковой линии при напряженности поля 125 дБ (мкВ/м), исключая
каналы настройки и полосы вблизи промежуточных частот
Изменение А12 дополнительно вводит испытания на устойчивость к элек-
i тростатическим разрядам, наносекундным импульсным помехам и
импульсному радиочастотному электромагнитному полю на частоте 900 МГц
напряженностью ЗВ/м
Отношение полезного звукового сигнала к нежелательному сигналу
г 40 дБ или едва заметное ухудшение стандартного телевизионного
изображения
2.5.2 Бытовые приборы, электрические инструменты и
аналогичные устройства
Помехоэмиссия: ЕН 55014-1
См. раздел 2.2.4.
118
Стандарты
Помехоустойчивость: ЕН 55014-2: 1997
Наименование
Эквивалентный стандарт
Область
применения
Испытания
Электромагнитная совместимость. Требования к бытовым приборам,
электрическим инструментам и аналогичным устройствам Часть 2
Помехоустойчивость Стандарт для группы однородной продукции
СИСПР 14-2
Устойчивость к электромагнитным помехам электрических приборов и
аналогичных устройств бытового и подобного назначения, а также
электрических инструментов и электрических игрушек
Этот стандарт представляет собой двойник стандарта ЕН 55014-1,
регламентирующего требования помехоустойчивости
Аппараты подразделяют на четыре категории
Категория 1 Аппараты, не содержащие электронных управляющих
схем
Категория 11 Бытовые приборы, получающие питание от электрической
сети, содержащие электронные управляющие схемы, использующие
тактовую частоту не выше 15 МГц
Категория III Устройства с питанием от батарей, содержащие электронные
управляющие схемы, использующие тактовую частоту не выше 15 МГц
Категория IV Аппараты всех остальных видов, на которые
распространяется рассматриваемый стандарт
Уровни устойчивости к электростатическим разрядам, наносекундным
импульсным помехам, наведенным радиочастотным помехам,
радиочастотным излучаемым электромагнитным полям, микросекундным импульсным
помехам большой энергии, провалам и прерываниям напряжения
электропитания определяются с применением методов испытаний, приведенных в
основополагающих стандартах Для аппаратов каждой категории
установлены уровни жесткости испытаний и критерии качества
функционирования Аппараты категории I считаются удовлетворяющими
соответствующим требованиям помехоустойчивости без испытаний
2.5.3 Световое оборудование
Помехоэмиссия: ЕН 55015: 1996 + А1,А2
Наименование
Нормы и методы измерений характеристик радиопомех от светового и
аналогичного оборудования
Эквивалентный стандарт
СИСПР15
ЭМС для разработчиков продукции
119
Область
применения
Испытания
Кондуктивные и излучаемые радиочастотные помехи от светового
оборудования всех видов, основной функцией которого является создание
и/или распределение света, предназначенного для освещения, включая
световые части многофункционального осветительного оборудования, а
также отдельное вспомогательное оборудование, предназначенное для
использования исключительно со световым оборудованием Из области
применения стандарта исключено световое оборудование для
воздушного транспорта и аэропортов, а также аппараты, для которых
требования к уровням помех в радиочастотном диапазоне установлены в других
стандартах МЭК/СИСПР, например световые устройства, встроенные в
другое оборудование (устройства освещения шкал), фотокопировальные
приборы, диапроекторы
Для светильников, предназначенных для люминесцентных ламп,
измеряется затухание в полосе частот от 150 кГц до 1605 кГц, вносимое
светотехнической арматурой светильника Вносимое затухание измеряется между
зажимами эквивалента люминесцентной лампы (конструкции различных
эквивалентов ламп приведены в стандарте) и зажимами для подключения
светильника к сети
Световое оборудование всех других видов, в том числе отдельное
вспомогательное оборудование и люминесцентные лампы со встроенным
балластом, должно удовлетворять нормам квазипиковых и средних значений
напряжения помех на сетевых зажимах в полосе частот от 150 кГц до 30 МГц
Кроме того, световое оборудование, в котором применяются лампы,
питаемые током, частота которого превышает 100 Гц, должно удовлетворять
нормам квазипиковых значений излученного магнитного поля в полосе частот
от 9 кГц до 30 МГц при измерении с помощью рамочной антенны Ван-Вина
(трехкоординатной рамочной антенны)
Лампы накаливания считают соответствующими требованиям стандарта
без проведения испытаний
Уникальной особенностью этого стандарта в сравнении с другими
стандартами, основанными на нормах СИСПР, является существование
"выброса" значений норм кондуктивных помех между 2 51 и 3 МГц, равного
17 дБ, (в Японии этот выброс исключен), а также еще большего "выброса"
значений норм излучаемых помех в полосе частот от 2,2 до 3 МГц Какого-
либо объяснения указанному отклонению в стандарте нет Вместе с тем
подготовленный в 1995 г проект изменения к стандарту показывает, что
если указанные "выбросы" будут исключены, то это позволит начать сбыт
компактных радиочастотных люминесцентных ламп, принимая во
внимание, что "радиопередачи в этой полосе частот не ведутся" и "ослабление
норм позволит ввести относительно дешевые энергосберегающие лампы
малого веса и малых размеров"
Помехоустойчивость: ЕН 61547: 1995
Наименование
Эквивалентный стандарт
Область
применения
Световое оборудование общего назначения Электромагнитная
совместимость Требования помехоустойчивости
МЭК 61547
Световое оборудование, на которое распространяются стандарты ТК 34
МЭК, такое как лампы, вспомогательные устройства и светильники Состав
оборудования, исключенного из области применения стандарта, подобен,
но не идентичен составу оборудования, исключенному из области
применения ЕН 55015
120
Стандарты
Испытания
Уровни устойчивости к электростатическим разрядам, наносекундным
импульсным помехам, наведенным радиочастотным помехам,
радиочастотным излучаемым электромагнитным полям, микросекундным импульсным
помехам большой энергии, провалам и прерываниям напряжения
электропитания определяются с применением методов испытаний, которые
в большинстве случаев такие же, как и приведенные в основополагающих
стандартах Определены критерии качества функционирования,
связанные с осуществлением функций освещения На их основе для ламп со
встроенным балластом, отдельных вспомогательных устройств и
светильников установлены соответствующие испытания и критерии Световое
оборудование, не содержащее активных электронных компонентов (за
исключением светильников аварийного освещения), считается
удовлетворяющим требованиям помехоустойчивости без испытаний
2.5.4 Оборудование информационных технологий
Помехоэмиссия: ЕН 55022: 1998
См. раздел 2.2.5.
Помехоустойчивость: ЕН 55024: 1998
Наименование
Эквивалентный стандарт
Область
применения
Испытания
Оборудование информационных технологий Характеристики
помехоустойчивости Нормы и методы измерений
СИСПР24
Оборудование информационных технологий, в соответствии с
определением, приведенным в СИСПР 22
Электростатические разряды, наносекундные импульсные помехи,
радиочастотные излучаемые электромагнитные поля, наведенные
радиочастотные помехи, магнитное поле промышленной частоты, микросекундные
импульсные помехи большой энергии, провалы и прерывания напряжения
электропитания
Имеются некоторые отличия от методов испытаний, установленных в
основополагающих стандартах, например, метод испытаний на устойчивость к
электростатическим разрядам предусматривает осуществление по
меньшей мере 200 разрядов как минимум в четырех точках Более чем половину
текста стандарта занимают приложения, в которых установлены частные
условия испытаний и критерии качества функционирования для аппаратов
различных видов
2.5.5 Профессиональная аудио- и видеоаппаратура и
световые приборы для зрелищных мероприятий
Помехоэмиссия: ЕН 55103-1: 1996
Электромагнитная совместимость Профессиональная аудио-, видео-,
Наименование аУАи0визУальная аппаратура и аппаратура управления световыми
приборами для зрелищных мероприятий Стандарт на группу однородной
продукции Часть 1 Помехоэмиссия
ЭМС для разработчиков продукции
121
Область
применения
Профессиональная аудио-, видео-, аудиовизуальная аппаратура и
аппаратура управления световыми приборами для зрелищных мероприятий,
предназначенная для применения в жилых, коммерческих зонах и
производственных зонах с малым энергопотреблением, на предприятиях,
расположенных в городах, при размещении аппаратуры вне помещений, в
условиях контролируемой электромагнитной обстановки (например, в
студиях звукозаписи и радио- и телевизионных студиях), в сельской
местности при размещении аппаратуры вне помещений а также на предприятиях
тяжелой промышленности Применительно к световым приборам
особенно подчеркнуто слово "управление", так что реостаты для регулирования
силы света ламп и светильники (даже сконструированные специально для
театрального применения) исключаются из области применения Более
детально область применения стандарта обсуждается в приложении G
Испытания
Излучаемые радиочастотные помехи в полосе частот 30 МГц - 1 ГГц,
излучаемые магнитные поля в полосе частот 50 Гц - 50 кГц, гармонические
составляющие потребляемого тока и фликер в соответствии с ЕН 61000-3-2,
-3, кондуктивные радиочастотные помехи и прерывистые помехи в полосе
частотО,15-30 МГц на портах электропитания переменного тока, пусковые
токи в портах электропитания переменного тока, кондуктивные
радиочастотные помехи в полосе частот 30-1000 МГц на антенных вводах
радиовещательных приемников в соответствии с ЕН 55013, кондуктивные
радиочастотные помехи в полосе частот 0,15 - 30 МГц на сигнальных и контрольных
портах и на портах электропитания постоянного тока Применимость испы-
таний и значения норм изменяются в зависимости от обстановки |
Помехоустойчивость: ЕН 55103-2: 1996
Наименование
Электромагнитная совместимость Профессиональная аудио-,
видеоаудиовизуальная аппаратура и аппаратура управления световыми
приборами для зрелищных мероприятий Стандарт на группу однородной
продукции Часть 2 Помехоустойчивость
Область
применения
Такая же, как была указана выше для ЕН 55103-1
Испытания
Устойчивость к излучаемым радиочастотным электромагнитным полям в
полосе частот 80 МГц - 1 ГГц, электростатическим разрядам, излучаемым
магнитным полям в полосе частот 50 Гц- 50 кГц, наносекундным импульсным
помехам и наведенным радиочастотным помехам в полосе частот 0,15 - 80
МГц, воздействующим на порты всех видов, провалам и прерываниям
напряжения и микросекундным импульсным помехам большой энергии,
воздействующим на порты электропитания переменного тока, общим
несимметричным напряжениям звуковой частоты в полосе частот 50 Гц - 10 кГц,
воздействующим на сигнальные порты и порты управления Применимость
испытаний и уровни требований изменяются в зависимости от обстановки
2.5.6 Оборудование для измерения, управления и
лабораторного применения
Помехоэмиссия и помехоустойчивость: ЕН 61326: 1996 + А1:
1998
Наименование
Эквивалентный стандарт
Электрическое оборудование для измерения, управления и
лабораторного применения - требования ЭМС
МЭК 61326
122
Стандарты
Область
применения
Электрическое оборудование, получающее питание от электрической
сети напряжением не более 1 кВ переменного тока или 1,5 кВ постоянного
тока, используемое в профессиональной деятельности, в отраслях
промышленности и для учебных целей, предназначенное для проведения
измерений и испытаний, управления производственными процессами и
лабораторного применения Стандарт распространяется также на
вспомогательные технические средства, используемые совместно с
вышеуказанным электрическим оборудованием
Изменение 1 дополнительно вводит отдельные приложения,
распространяющиеся на оборудование, применяемое в промышленных зонах, в контролируемой
электромагнитной обстановке и на портативное испытательное и измерительное
оборудование Изменение 2 (не принятое в период подготовки настоящей книги
к изданию) дополнительно вводит отдельное приложение, распространяющееся
на чувствительное испытательное и измерительное оборудование,
предназначенное для применения в условиях, когда защита от электромагнитных
воздействий отсутствует, например на осциллографы, анализаторы итд
Испытания
Помехоэмиссия кондуктивные радиочастотные помехи в полосе частот
0,15 - 30 МГц на портах электропитания переменного тока, гармонические
составляющие потребляемого тока и фликер в соответствии с ЕН 61000-3-
2, -3 (только класс В), излучаемые радиочастотные помехи в полосе частот
30 МГц-1000 МГц.
Помехоустойчивость электростатические разряды, излучаемые
радиочастотные электромагнитные поля, прерывания напряжения, наносекундные
импульсные помехи, микросекундные импульсные помехи большой
энергии, наведенные радиочастотные помехи, магнитные поля промышленной
частоты Применяемые испытания и уровни требований устанавливаются
в соответствии с выбранным приложением
2.5.7 Системы пожарной, охранной и социальной
сигнализации
Помехоэмиссия
Определенный стандарт помехоэмиссии для этой группы
однородной продукции отсутствует. Рекомендуется использование
соответствующего общего стандарта помехоэмиссии.
Помехоустойчивость: ЕН 50130-4: 1995+А1:1998
Наименование
Системы тревожной сигнализации Часть 4 Электромагнитная
совместимость Стандарт на группу однородной продукции Требования
устойчивости к электромагнитным помехам элементов систем пожарной, охранной и
общественной тревожной сигнализации
ЭМС для разработчиков продукции
123
Область
применения
Элементы следующих систем тревожной сигнализации, предназначенных
для применения внутри и вне зданий в жилых, коммерческих зонах,
производственных зонах с малым энергопотреблением и в промышленных
зонах- систем охранной сигнализации, систем тревожной сигнализации
на выставках, систем обнаружения огня и пожарной сигнализации,
общественных систем тревожной сигнализации; систем охранного
телевидения и систем контроля доступа, применяемых для целей безопасности,
а также систем передачи и (или) приема радиосигналов и сигналов в
коммутируемых общественных линиях проводной связи и низковольтных
электрических сетях, применяемых в системах тревожной сигнализации
(последние дополнительно включены в соответствии с Изменением 1)
Испытания
Устойчивость к отклонениям, провалам и кратковременным прерываниям
напряжения в питающей электрической сети, электростатическим
разрядам, излучаемым радиочастотным электромагнитным полям, наведенным
радиочастотным помехам, наносекундным импульсным помехам,
микросекундным импульсным помехам большой энергии. В данном стандарте
введены существенные отклонения от обычно используемых методов
испытаний, например, испытания на устойчивость к излучаемым
радиочастотным электромагнитным полям предусматривают дополнительное
воздействие импульсного поля с перестраиваемой частотой и модуляцией
вида "излучение-пауза" при частоте повторения 1 Гц Для каждого
испытания установлены соответствующие критерии качества функционирования
2.5.8 Оборудование телекоммуникационных сетей
Помехоэмиссия и помехоустойчивость: ЕН 300386-2:1997
Наименование
Электромагнитная совместимость и вопросы радиочастотного спектра
Оборудование телекоммуникационных сетей Требования
электромагнитной совместимости (ЭМС) Часть 2 Стандарт на группу однородной
продукции
Область
применения
Оборудование, предназначенное для использования в
телекоммуникационных сетях, включая, коммутационное оборудование,
оборудование передачи сообщений, не относящееся к средствам радиосвязи;
вспомогательное оборудование, источники силового питания, системы
телеуправления и телесигнализации Из области применения стандарта
исключаются оборудование кабельного телевидения, кабельные системы
подводных лодок, и оборудование оптических систем связи Кроме того, в
соответствии с приведенным определением телекоммуникационных сетей
из области применения стандарта исключается оконечное оборудование,
применяемое вне конечных пунктов телекоммуникационной сети
124
Стандарты
Испытания
L...
Помехоэмиссия кондуктивные радиочастотные помехи в полосе частот
0,15 - 30 МГц на портах электропитания переменного тока,
гармонические составляющие потребляемого тока и фликер в соответствии с ЕН
61000-3-2, -3, излучаемые радиочастотные помехи в полосе частот 30 МГц
- 1000 МГц Требования к уровням кондуктивных радиочастотных помех на
портах электропитания постоянного тока установлены для полосы частот,
начинающейся от 20 кГц
Помехоустойчивость электростатические разряды, излучаемые
радиочастотные электромагнитные поля, наведенные радиочастотные помехи,
прерывания напряжения, наносекундные импульсные помехи,
микросекундные импульсные помехи большой энергии Для портов оборудования,
к которым подключаются сигнальные линии, проходящие вне зданий,
установлены более жесткие требования устойчивости к микросекундным
I импульсным помехам большой энергии и наведенным помехам от
высоковольтных линий электропередач В стандарте введены две категории
электромагнитной обстановки, применительно к которым для оборудования
установлены различные уровни помехоэмиссии и уровни
помехоустойчивости К первой категории отнесена обстановка "телекоммуникационных
центров", ко второй обстановка в местах размещения оборудования, "не
относящихся к телекоммуникационным центрам" В стандарте
установлены соответствующие критерии качества функционирования и рабочие
условия Кроме того, дополнительно введен критерий качества
функционирования, названный "сопротивляемость", в соответствии с которым
оборудование должно выдерживать без повреждений более жесткие условия
испытаний, причем разрешается применение устройств защиты, с
возможностью их замены или новой установки
Этот стандарт убедительно иллюстрирует, насколько непостоянными
являются стандарты ЭМС, распространяющиеся на однородную продукцию
Сведения об указанном стандарте приведены в ОЖ, причем дата
прекращения действия презумпции соответствия, обеспечиваемой заменяемым
(общим) стандартом, установлена 30 сентября 2001 г Одновременно в
этом же номере ОЖ указано, что с 31 мая 2003 г ЕН 300386-2 1997
заменяется стандартом ЕН 300386 2000
2.5.9 Радиооборудование
Помехоэмиссия и помехоустойчивость: ЕН 301489-1:2000
Наименование
Область
применения
Электромагнитная совместимость и вопросы радиочастотного спектра
Стандарт электромагнитной совместимости (ЭМС) для
радиооборудования и радиослужб Часть 1 Общие технические требования
Оборудование радиосвязи и любое подключаемое вспомогательное
оборудование, применяемое в жилых, коммерческих зонах, производственных
зонах с малым энергопотреблением, на телекоммуникационных центрах
и устанавливаемое на автотранспортных средствах (исключая
оборудование морской радиосвязи) После начала действия Директивы о радио- и
оконечном телекоммуникационном оборудовании (R&TTE) (раздел 1212)
большинство радиостандартов, указанных в ОЖ в качестве стандартов,
обеспечивающих применение Директивы ЭМС, были преобразованы в
отдельные части стандарта ЕН 301489, и текст их был скорректирован в части
соответствия Директиве R&TTE Часть 1 стандарта ЕН 301489-1 устанав- ■
ливает общие технические требования, тогда как другие части содержат
положения, относящиеся к средствам радиосвязи конкретных видов
ЭМС для разработчиков продукции
125
Испытания
Кондуктивные и излучаемые радиочастотные помехи в соответствии с ЕН
55022, включая уточненный метод измерений кондуктивных помех на
портах электропитания постоянного тока
Электростатические разряды, наносекундные импульсные помехи,
микросекундные импульсные помехи большой энергии, отклонения, провалы
и кратковременные прерывания напряжения в питающей электрической
сети, импульсные помехи в бортовой электрической сети
автотранспортных средств, кондуктивные и излучаемые радиочастотные помехи в
соответствии с основополагающими стандартами Оборудование, на которое
распространяется стандарт, подразделяется на три класса стационарное,
применяемое на автотранспортных средствах и портативное, для
оборудования каждого класса предусмотрены различные испытания В стандарте
установлены соответствующие минимальные критерии качества
функционирования и специальные положения, касающиеся подачи испытательных
сигналов на вход и выход передатчика/приемника, узкополосных откликов
приемников и ограничения полос частот при испытаниях оборудования на
устойчивость к радиочастотным помехам Антенный порт оборудования
исключается при проведении испытаний в области ЭМС Кроме того,
исключаются измерения параметров оборудования, относящихся к
использованию радиочастотного спектра, таких как нежелательные излучения
радиопередатчиков и нежелательные отклики радиоприемников
2.5.10 Системы электрического привода с
регулируемой скоростью вращения
Помехоэмиссия и помехоустойчивость: ЕН 61800-3: 1996 +
А11:2000
Наименование
Связан с
Область
применения
Системы электрического привода с регулируемой скоростью вращения
Часть 3 Стандарт электромагнитной совместимости для группы
однородной продукции, включая специальные методы испытаний
МЭК 61800-3
Системы электрического привода с регулируемой скоростью вращения
двигателей переменного и постоянного тока, подключаемые к
электрическим сетям переменного тока с напряжением до 1 кВ (среднеквадрати-
ческое значение), устанавливаемые в промышленных и жилых зонах, за
исключением применяемых в системах электрической тяги и на
электрических транспортных средствах
126
Стандарты
Испытания
EH 61800-3 представляет собой, в достаточной степени, необычный
стандарт Он имеет подозрительную отличительную особенность,
заключающуюся в том, что является единственным гармонизированным стандартом,
необходимость отмены которого рассматривалась Европейской
комиссией Европейская комиссия предпочла оказать давление на СЕНЕЛЕК для
подготовки изменения к стандарту, Изменение А11 было издано в 2000 г,
а затем сведения о нем были быстро опубликованы в ОЖ со сроком отмены
заменяемого стандарта (DOW) 1 января 2002 г Изменение А11 внесло
существенные корректировки в текст стандарта Ниже приведены сведения,
относящиеся как к стандарту, так и к изменению
В стандарте определены "первая" и "вторая" обстановка, для
использования в которой предназначаются системы электрического привода В
широком смысле "первая" включает жилые зоны и подключение к
системам энергоснабжения в указанных зонах, ко "второй" относятся любые
условия использования, кроме установленных для "первой" обстановки
Установлены также понятия "ограниченного" и "неограниченного"
распространения оборудования Первое понятие означает, что изготовитель
ограничивает распространение оборудования и поставляет его только тем
пользователям, которые обладают необходимой степенью
компетентности в вопросах, относящихся к требованиям обеспечения ЭМС при
использовании систем электрического привода с регулируемой скоростью
вращения Эти определения позволили установить в стандарте гораздо более
высокие уровни кондуктивных и излучаемых радиочастотных помех, чем
допустимые уровни классов А и В, установленные в стандартах СИСПР
(хотя в стандарте имеется ссылка на нормы СИСПР группы 2 класса А)
Особенно высоки допустимые уровни помех для "второй" обстановки при
"ограниченном" распространении В стандарте (до введения изменения
к нему) указывалось, что "Многие системы электрического привода с
регулируемой скоростью вращения нормально работают в промышленной
обстановке без использования фильтров и являются совместимыми, так
как не вызывают нарушений функционирования других аппаратов и
оборудования" и устанавливалась возможность применения указанных систем
электрического привода во "второй" обстановке вообще без установления
норм помехоэмиссии
Изменение к стандарту устранило из текста эти положения и выправило
ситуацию (как известно, системы электрического привода с
регулируемой скоростью вращения двигателей являются одними из наихудших
нарушителей работы другого оборудования, когда речь идет о реальных случаях
создания и воздействия радиочастотных помех)
Коммутационные перенапряжения, гармоники потребляемого тока и
колебания напряжения рассматриваются в стандарте применительно и к
помехоэмиссии, и к помехоустойчивости В части требований устойчивости к
высокочастотным помехам, в стандарте установлены обычные требования,
относящиеся к электростатическим разрядам, излучаемым
радиочастотным электромагнитным полям, наведенным радиочастотным помехам,
наносекундным импульсным помехам и микросекундным импульсным
помехам большой энергии В стандарте (до введения изменения к нему)
не предусматривалось воздействие наведенных радиочастотных помех на
все порты оборудования, упрощенно трактовались требования
устойчивости к микросекундным импульсным помехам большой энергии и
допускалось применять портативные радиостанции при испытаниях на
устойчивость к радиочастотным электромагнитным полям вместо стандартного
метода испытаний, установленного в МЭК 61000-4-3 Указанные смягчения
требований были устранены при введении Изменения А11, хотя и в этом
изменении допускается подвергать испытаниям на устойчивость к
радиочастотным помехам только восприимчивые элементы больших систем
ЭМС для разработчиков продукции
2.5.11 Медицинские электрические изделия
127
Помехоэмиссия и помехоустойчивость: ЕН 60601-1-2: 1993
Наименование
Область
применения
Испытания
Медицинские электрические изделия Часть 1 Общие требования
безопасности — 2 Параллельный стандарт Электромагнитная совместимость
— требования и методы испытаний
Медицинские электрические изделия и системы, оборудование
информационных технологий, используемое в медицинской практике
Этот стандарт устанавливает для медицинских электрических изделий
общие требования ЭМС и методы испытаний Требования ЭМС для
изделий конкретных видов установлены или будут установлены в части 2
рассматриваемого стандарта, которая в основном является стандартом
требований безопасности
NB В связи с тем, что электромагнитная совместимость медицинских
электрических изделий относится в настоящее время не к области
применения Директивы ЭМС, а к области применения Директивы о
медицинских электрических изделиях, в стандарт ЕН 60601-1-2 были внесены
коррективы и указанный стандарт является единственным стандартом
ЭМС, обеспечивающим применение Директивы о медицинских
электрических изделиях
Радиочастотные помехи в соответствии с СИСПР 11 {ЕН 55011) с
некоторыми модификациями В жилых зонах допускается применение изделий
класса А ответственными профессионалами в области здравоохранения
Электростатические разряды контактный разряд 3 кВ, воздушный разряд
8 кВ, в соответствии с МЭК 801-2
Излучаемые радиочастотные электромагнитные поля напряженность
поля 3 В/м в полосе частот 26 - 1000 МГц при амплитудной модуляции, в
соответствии с МЭК 801-3 (второе издание) Это положение стандарта
вызывает некоторые затруднения, так как второе издание МЭК 801-3 не было
опубликовано, и в отношении испытаний на устойчивость к излучаемым
радиочастотным электромагнитным полям необходимо ссылаться на
стандарт ЕН 61000-4-3, устанавливающий испытания в полосе частот от
80 МГц до 1000 МГц Для медицинских электрических изделий, не
относящихся к системам жизнеобеспечения, испытания на устойчивость к
излучаемым радиочастотным электромагнитным полям допускается
проводить только на частотах выделенных для ПНМ устройств (см таблицу 11)
Наносекундные импульсные помехи 1 кВ для изделий, включаемых в сеть
с помощью штепсельной вилки, 2 кВ для постоянно устанавливаемых
изделий и 0,5 кВ для соединительных линий, длина которых превышает 3 м,
в соответствии с МЭК 801-3
Микросекундные импульсные помехи большой энергии 1 кВ для
симметричной помехи, 2 кВ для общей несимметричной помехи при воздействии
на порт электропитания, в соответствии с МЭК 801-5 (в настоящее время
МЭК 61000-4-5)
NB Этот стандарт, по различным причинам, рассматривался как
недостаточно обоснованный Пересмотренное издание этого стандарта,
вероятно, будет опубликовано в 2001 г
2.5.12 Стандарты для автотранспортных средств
Хотя Автомобильная Директива ЭМС и содержит определенные
технические требования, существует вместе с тем несколько
стандартов, включающих положения, касающиеся обеспечения ЭМС
применительно к обстановке автотранспортных средств. Среди них
128 Стандарты
особое значение имеет стандарт ИСО 7637, на который даны ссылки
во многих гармонизированных стандартах, распространяющихся
на оборудование, которое может применяться на автотранспортных
средствах. Среди этих стандартов некоторые могут быть
использованы при подтверждении соответствия изделий, предназначенных
для применения на автотранспортных средствах, требованиям
Директивы ЭМС путем подготовки технического файла конструкции.
К ним относятся:
СИСПР25
[наименование ! НоРмы и методы измерений характеристик радиопомех для защиты радио-
| | приемных устройств, применяемых на автотранспортных средствах
ИСО 7637, части 1, 2иЗ
Наименование
Дорожные автотранспортные средства Электрические помехи, вызванные
кондукцией и связью
Устанавливает формы сигналов и методы подачи импульсных переходных
помех для бортовой сети 12 В (часть 1), бортовой сети 24 В (часть 2) и для
сигнальных линий (часть 3)
ИСО 11451-Х, ИСО 11452-Х
Дорожные автотранспортные средства. Электрические помехи,
вызванные узкополосными электромагнитными излучениями:
методы испытаний автотранспортных средств (11451-1, -2, -3, -4) и
методы испытаний компонентов ( 11452-1,-2,-3,-4,-5,-7).
Эти стандарты устанавливают методы испытаний с
использованием камер, покрытых радиопоглощающим материалом, ТЕМ-ка-
мер, полосковых линий, а также методы ввода токов помех и
непосредственного ввода радиочастотной энергии.
2.5.13 Другие стандарты, распространяющиеся на
однородную продукцию
Приведенный ниже перечень содержит сведения о других
стандартах ЭМС, распространяющихся на однородную продукцию.
Большинство из этих стандартов гармонизированы (сведения о них
приведены в ОЖ) ко времени подготовки настоящей книги к
изданию.
Стандарт
ЕН 50065-1
ЕН 50083-2
П=н 50090-2-2
Вид продукции
Оборудование для сигнализации по силовым линиям
Оборудование кабельных сетей звукового и телевизионного
вещания
Электронные системы зданий и сооружений
Примечание
[ ■ ■
ЭМС для разработчиков продукции
129
ЕН 50091-2
ЕН 50121-Х
ЕН 50148
ЕН 50199
ЕН 50227
ЕН 50263
ЕН 50270
ЕН 60118-13
ЕН60204-31
ЕН 60439-1
ЕН 60521
ЕН 60669-2-Х
ЕН 60687
ЕН 60730-Х
ЕН 60870-2-1
ЕН 60945
ЕН 60947СХ
ЕН 61008-1
ЕН 61009-1
ЕН 61036
ЕН 61037
ЕН 61038
ЕН61131-2
ЕН 61268
ЕН 61543
ЕН 61812-1
ЕН 12015/
12016
ЕНИСО
14982
Системы бесперебойного электропитания
Оборудование железнодорожного транспорта
Электронные таксиметры
Оборудование дуговой сварки
Датчики приближения
Измерительные реле и защитное оборудование
Газовые детекторы и измерительное оборудование
Слуховые аппараты - устойчивость к радиочастотным
электромагнитным полям
Швейные машины, блоки и системы
Низковольтные переключатели и сборки управляющих
механизмов
Счетчики переменного тока классов 0 5,1 и 2
Переключающие устройства для стационарных
электроустановок бытового и аналогичного назначения
Статические счетчики активной энергии переменного тока
Электрические устройства автоматического управления для
бытового и аналогичного использования
Оборудование систем телеуправления и телесигнализации
Оборудование морской навигации и радиосвязи
Низковольтные переключатели и контроллеры
Устройства защитного отключения дифференциального типа
(RCCBs)
Устройства защитного отключения дифференциального типа
(RCCOs)
Статические счетчики активной энергии переменного тока
Измерения электрической энергии - электронные приемники
контроля пульсаций
Измерения электрической энергии - выключатели с часовым
механизмом
Программируемые контроллеры
Статические счетчики реактивной энергии переменного тока
Устройства защитного отключения, управляемые
дифференциальным током (УЗО-Д)
Специальные реле времени для промышленного
использования
Лифты, эскалаторы и пассажирские конвейеры
Машины для сельского и лесного хозяйства
Не
гармонизирован
Не
гармонизирован
Различные
части
Различные
части
!
СЕН
СЕН
130 Стандарты
2.6 Другие стандарты, не связанные с Директивой
ЭМС
2.6.1 Правила Федеральной комиссии связи
В США требования к уровням радиочастотных помех
контролируются Федеральной комиссией связи (ФКС), которая
представляет собой независимое правительственное агентство, на которое
возложена ответственность за регулирование в области
внутригосударственной и международной радиосвязи, телевидения,
космической и кабельной связи. Указанные требования содержатся в
47-м Кодексе федеральных правил. Часть 15 этих Правил до 1990 г.
применялась к источникам случайных и ограниченных излучений,
под которыми понимаются устройства, эмитирующие
радиочастотные помехи либо как побочный продукт их работы, либо при очень
малой мощности. В 1990 г. часть 15 Правил была изменена, причем
в новом документе прежде всего было проведено различие между
источниками намеренных и ненамеренных излучений. В течение
последних десяти лет часть 15 Правил подвергается непрерывным
изменениям.
Главное внимание в части 15 Правил уделено тем изделиям,
которые включают цифровые устройства. Глава В части 15 Правил,
применяемая для источников ненамеренных излучений, включает
разделы, распространяющиеся на устройства определенных видов,
такие как системы сигнализации по силовым линиям и
телевизионные приемники и подключаемые к ним устройства. Часть 18
указанных Правил распространяется на ПНМ устройства, которые
намеренно излучают радиочастотную энергию.
1.6.1.1. Способы подтверждения соответствия
Под «цифровым устройством» (ранее использовалось понятие
«вычислительное устройство») понимается любое электронное
изделие или система, в которых генерируются и обрабатываются с
использованием цифровой техники разделенные во времени
сигналы или импульсы с частотой, превышающей 9 кГц. Установлены
два класса указанных устройств, в зависимости от предполагаемой
сферы их сбыта: класс А, включающий изделия, предназначенные
для коммерческой и предпринимательской деятельности и для
использования в промышленности, и класс Б, включающий изделия,
предназначенные для использования в бытовых условиях. Для
устройств, относящихся к различным классам, установлены разные
нормы, более жесткие для класса Б.
ЭМС для разработчиков продукции 131
Перед тем как разместить свои изделия для реализации на рынке
США, изготовитель должен подтвердить соответствие, следуя
одним из указанных ниже трех путей:
• верификации (процесс верификации в точности совпадает с
процессом самосертификации);
• декларирования соответствия (DoC) (процесс DoC подобен
процессу самосертификации, за исключением того, что испытания
должны быть проведены в аккредитованной в США
испытательной лаборатории);
• сертификации (при процессе сертификации изготовитель
должен направить пакет сведений, содержащий данные о
проведенных испытаниях и инструкции по установке и применению,
а также оплату в один из органов по сертификации
телекоммуникационных средств (ТСВ), который должен выпустить
сертификат.
Путь, которым должен следовать изготовитель, зависит от вида
изделия (заметим, что способ сертификации применяется для
более широкой номеклатуры изделий, чем средства
телекоммуникаций). После июня 2000 г. ФКС отказалась от непосредственного
вовлечения в любой из способов подтверждения соответствия.
Поэтому после того, как Соглашение ЕС/США о взаимном признании
вступит в силу, испытательные лаборатории государств — членов
Европейского союза смогут при размещении изделий на рынке США
действовать в рамках процесса сертификации в качестве ТСВ, и в
рамках процесса декларирования соответствия (DoC) в качестве
сертификационных органов.
Существуют достаточно широкие исключения из указанных
выше способов подтверждения соответствия, зависящие от
назначения изделий. Эти исключения применяются для: цифровых
устройств, применяемых на транспортных средствах,
промышленных предприятиях и в системах управления коммунальным
хозяйством; средств испытаний промышленного, торгового и
медицинского назначения; специализированного медицинского
вычислительного оборудования и цифровых устройств, применяемых для
целей здравоохранения.
2.6.1.2 Требования и испытания
В Правилах ФКС нормы кондуктивных радиопомех на сетевых
зажимах цифровых устройств установлены для полосы частот от
132 Стандарты
450 кГц до 30 МГц, нормы излучаемых радиопомех установлены
для полосы частот от 30 мГц до 960 МГц и выше при измерительном
расстоянии 10 м и 3 м. Указанные нормы подобны, но не идентичны
нормам, установленным в стандартах, основанных на публикациях
СИСПР. Вместе с тем допускается использовать нормы,
установленные в СИСПР 22, но при этом должен быть применен метод
испытаний, указанный в стандарте ANSI C63.4:1992 (этот стандарт был
пересмотрен в 2000 г.). и при проведении испытаний должны
использоваться параметры напряжения» установленные для
электрических сетей США. В зависимости от того, какие частоты
используются в цифровом устройстве, верхняя частота полосы измерений
может увеличиваться. Ее максимально возможное значение
составляет 40 ГГц. Зависимость между тактовыми (и иными) частотами
и максимальной частотой измерений показана в таблице 2.4. Из
этой таблицы следует, что испытания на помехоэмиссию цифрового
устройства с тактовой частотой, превышающей 108 МГц, должны
проводиться в микроволновой области.
Таблица 2.4 Максимальная частота измерений для цифровых устройств, Правила
ФКС,часть15(1990)
Наивысшая частота, генерируемая
или используемая в устройстве, или
частота, на которой устройство
функционирует или настраивается (МГц)
Ниже 1,705
1,705-108
108-500
500-1000
Выше 1000
Верхняя частота
полосы измерений (МГц)
30
1000
2000
5000
Пятая гармоника наивысшей частоты
или 40 ГГц, в зависимости от того,
какая величина меньше
2.6.2 Другие негармонизированные стандарты
Британский институт стандартов (BSI) публикует некоторые
стандарты, относящиеся к вопросам электромагнитной
совместимости, которые не предполагается использовать в качестве
гармонизированных стандартов для обеспечения применения Директивы
ЭМС. К ним относятся:
Нормы и методы измерения электромагнитных помех, создаваемых морским
оборудованием и установками
Характеристики радиопомех от воздушных линий электропередач и высоко-
BS 5049 вольтного оборудования (эквивалент СИСПР 18) __
BS 6345 Метод измерения напряжения радиопомех на зажимах светового оборудования
ЭМС для разработчиков продукции
133
BS 7027
Нормы и методы измерения устойчивости морского электрического и электрон-1
ного оборудования к кондуктивным и излучаемым электромагнитным помехам j
AU243
Методы испытаний электрических помех, вызванных кондукцией и связью
(автомобильная серия, эквивалент стандарта ИСО 7637)
BSEN
50160
Характеристики напряжения при поставках электрической энергии из
общественных распределительных систем (в стандарте приведены сведения о том, ■
какое качество электрической энергии следует ожидать ее потребителю)
Помимо стандартов ЭМС, которые обсуждались выше, существуют
также различные стандарты, относящиеся к вопросам устойчивости к
радиочастотным и импульсным помехам, разработанные специально
для групп однородной продукции или для продукции конкретного
вида или подготовленные различными крупными фирмами —
поставщиками продукции для использования при внутрипроизводственной
деятельности или при заключении договоров. Например, собственные
нормативные документы в области ЭМС обычно имеют изготовители
автотранспортных средств. Кроме того, естественно, существует
большое число военных и аэрокосмических стандартов ЭМС.
2.6.3 Стандарты, связанные с измерениями
Некоторые весьма важные стандарты ЭМС не были рассмотрены
в приведенных выше разделах настоящей главы, так как они не
имеют отношения к продукции и непосредственно не устанавливают
нормы или методы измерений. Вместо этого в указанных
стандартах установлены требования к средствам измерений,
измерительным установкам или методы испытаний. Эти стандарты приведены
ниже:
СИСПР 16-1
СИСПР 16-2
СИСПР 16-3
МЭК 61000-4-7
МЭК 61000-4-15
ЕН 50147-1
Технические требования к аппаратуре для измерения радиопомех и по-;
мехоустойчивости и методы измерений Часть 1 Аппаратура для
измерения радиопомех и помехоустойчивости (см раздел 3 1)
Технические требования к аппаратуре для измерения радиопомех и
помехоустойчивости и методы измерений Часть 2 Методы измерений
радиопомех и помехоустойчивости
Технические требования к аппаратуре для измерения радиопомех и
помехоустойчивости и методы измерений Часть 3 Доклады и
рекомендации СИСПР (содержит рекомендации, относящиеся к применению
статистических методов при обработке жалоб на воздействие помех, при
определении значимости и уровней норм СИСПР и т д )
Электромагнитная совместимость (ЭМС) Часть 4-7 Методы испытаний
и измерений Общее руководство по методам и средствам измерений
гармоник и интергармоник для систем электроснабжения и
подключенного к ним оборудования (см раздел 3 21)
Электромагнитная совместимость (ЭМС) Часть 4 Методы испытаний и
измерений Раздел 15 Фликерметр Функциональные и конструктивные
[Требования (см. 3 2 4)
Беээховые камеры Часть 1 Измерения ослабления создаваемого
экраном
134
Стандарты
EH 50147-2
Беээховые камеры Часть 2 Пригодность альтернативной испытательной
площадки в отношении затухания площадки
ЕН50147-3 Основополагающий стандарт ЭМС Помехоэмиссия Часть 3 Измерения
(проект) | помехоэмиссии в полностью беээховых помещениях
2.6.4 Нормы радиочастотной помехоэмиссии
Предельные уровни эмиссии кондуктивных и излучаемых
радиочастотных помех, установленные в большинстве стандартов,
относящихся к серии EH 550XX, гармонизированы. Эти стандарты были
введены путем применения стандартов СИСПР и установленные в
них нормы направлены во всех случаях на выполнение одной и той
же цели: защиты радиочастотного спектра в интересах других
пользователей. При этом предполагается, что между источником
радиочастотных помех и восприимчивым оборудованием имеется некоторая
минимально необходимая дистанция.
На рис. 2.4 и 2.5 в графической форме изображены нормы
помехоэмиссии, установленные в рассмотренных выше стандартах. Нормы,
приведенные в Правилах ФКС, определенным образом отличаются
от норм, установленных в гармонизированных европейских
стандартах и приведены на этих рисунках для сравнения. Все нормы
излучаемых помех приведены к одному и тому же измерительному
расстоянию — 10 м.
8 80-
*
ч
к
■
n
;
■
i
;
T
ЖС, клао
1
:A
H
•
кла
EH.
ла
:сБ
t
150кГц 450кГц 500кГц 1.705МГц
5МГц
30МГц
Рис. 2.4 Нормы эмиссии кондуктивных помех
На указанных рисунках нормы класса А, установленные в
европейских стандартах, относятся к ЕН 55011, ЕН 55022 (класс А) и
ЕН 50081-2. Нормы класса Б относятся к ЕН 55011, ЕН 55022 (класс
Б ) и ЕН 50081-1. Все приведенные значения относятся к измерени-
ЭМС для разработчиков продукции
135
50
10
20
i
i
ФКС. класс А
EH, класс А
ФКС, класс Б
EH, класс Б
1
|
и
tt
i
i
30МГц
88МГц,
216МГц 230МГц
Рис. 2.5 Нормы эмиссии излучаемых помех
1ГГц
470МГц 960МГц
*: см. таблицу 2.4
ям, выполняемым с помощью детектора квазипиковых значений
СИСПР, но в соответствии с указанными стандартами требуется
также, чтобы измерения кондуктивных помех проводились с
помощью детектора средних значений. Нормы для средних значений на
13 дБ (класс А) и на 10 дБ (класс Б) ниже, чем нормы для
квазипиковых значений.
Глава 3
Измерение помехоэмиссии
Один из аспектов электромагнитной совместимости, который в
значительной степени затрудняет овладение ее методами, состоит в том,
что проведение испытаний, связанных с обеспечением ЭМС,
основано на использовании множества технических приемов.
Спектральные составляющие электромагнитных явлений, учитываемых при
обеспечении ЭМС, могут иметь частоты, значительно превышающие
1 ГГц, и поэтому обычные и хорошо известные методы измерений,
установленные для низких частот и цифровых технологий,
оказываются совершенно непригодными. Инженеры отделов разработки и
испытаний должны понимать основы высокочастотных измерений
для того, чтобы быть в состоянии выполнить те испытания в области
ЭМС, которые могут быть необходимыми. Настоящая и
последующая главы могут служить введением в изучение средств испытаний,
методов испытаний и некоторых причин возникновения ошибок и
неопределенностей, которые сопутствуют испытаниям в области
ЭМС.
3.1 Эмиссия радиочастотных помех
Для облегчения измерений и анализа предполагается, что
эмиссия излучаемых радиочастотных помех преобладает на частотах
выше 30 МГц, а эмиссия кондуктивных помех преобладает на
частотах ниже 30 МГц. Естественно, что каких-либо магических перемен
на частоте 30 Мгц в аппаратуре не происходит. Однако типичные
длины кабелей таковы, что резонанс будет более вероятен на
частотах выше 30 МГц, что может привести к ненормальным условиям
при проведении измерений кондуктивных помех. С другой стороны,
измерения излучаемых помех на частотах ниже 30 МГц придется
проводить в условиях ближнего поля, если расстояние до источника
помех меньше А. / 2тг (см. раздел 5.1.4.2) и при этом результаты
измерений будут недостаточно коррелированы с реальными значениями
напряженности поля. Практические исследования проблем
нарушения радиосвязи при воздействии помех показали, что снижение
уровней шумовых помех на сетевых зажимах приводило к
улучшению приема в диапазонах длинных, средних и коротких волн [80].
На более высоких частотах электрические сети становятся менее
ЭМС для разработчиков продукции 137
эффективной средой распространения помех и преобладающим
видом помехоэмиссии становится излучение помех от корпуса
оборудования и кабелей в непосредственной близости от него.
При проведении испытаний на помехоэмиссию необходимо,
чтобы испытуемое оборудование (ИО) было размещено в
контролируемой электромагнитной обстановке и функционировало при
нормальных рабочих условиях. Если задача состоит в том, чтобы
провести испытания ИО как отдельного технического средства (не
как части системы), то должно быть предусмотрено специальное
экранирование подключаемого к ИО оборудования (при его
наличии) для его отделения от ИО и средств измерений. Уровни любых
внешних сигналов должны быть ниже, чем нормы помех, на
соответствие которым испытывается оборудование.
Конфигурация ИО при испытаниях, как правило,
устанавливается в стандартах в области помехоэмиссии таким образом, чтобы
уровень создаваемых помех был максимальным. Указанную
конфигурацию не всегда легко определить заранее, и вам, возможно,
придется осуществить для этого некоторые предварительные
испытания, в ходе которых придется изменять конфигурацию ИО. Кроме
того, при одной конфигурации ИО возможно создание значительных
помех в одной части спектра, в то время как другая конфигурация
может привести к генерации значительных помех в иной полосе
частот. В целом ответственность за установление рабочих условий при
испытаниях несет изготовитель оборудования.
3.1.1 Средства измерений
3.1.1.1 Измерительный приемник
При испытаниях с целью подтверждения соответствия
требованиям ЭМС обычно используются измерительные приемники,
параметры которых оптимизированы для осуществления указанных
испытаний. Типичная стоимость полного комплекта приемной
измерительной системы для испытаний в полосе частот 10 кГц — 1 ГГц
может составлять от 15 до 60 тыс. фунтов стерлингов.
Ранее измерительные приемники имели ручное управление и
оператор должен был снимать показания измерительного прибора
на каждой частоте, где эти показания близки к предельно
допустимому значению. Это была длительная процедура, при которой
были возможны ошибки. Современные измерительные приемники
полностью автоматизированы и функционируют с использованием
специального программного обеспечения при управлении через
138 Измерение помехоэмиссии
стандартный интерфейс, соответствующий требованиям IEEE-488.
Это позволяет осуществлять измерения, устанавливая
правильные параметры измерительного приемника во всей полосе частот
измерений с помощью персонального компьютера. В результате
минимизируется время измерений при перекрытии полосы частот
без пропусков. Результаты измерений сохраняются в памяти
персонального компьютера и могут быть представлены в виде файла или
в распечатанном виде.
Измерительный приемник имеет отличительные особенности в
сравнении с анализатором спектра, указанные ниже:
• отсутствие спектрального дисплея, позволяющего
осуществлять одновременный контроль в широкой полосе частот
(показание на выходе измерительного приемника относится к
отдельной частоте);
• существенно более высокая чувствительность, что позволяет
отделять полезные сигналы от шумов при уровнях сигналов
гораздо более низких, чем предельно допустимые уровни помех;
• избирательность входных цепей и стойкость к перегрузкам;
• измерительный приемник специально предназначен для
осуществления измерений в соответствии с требованиями
стандартов СИСПР. Для этой цели выбираются полосы частот, виды
детекторов, динамический диапазон сигналов;
• точность измерений частоты и амплитуды сигналов выше, чем
у более дешевых анализаторов спектра;
• при проведении испытаний могут быть необходимыми два
измерительных приемника: для частот до 30 МГц и для частот
30 —1000 МГц.
3.1.1.2 Анализатор спектра
Обычный анализатор спектра стоит, безусловно,
значительно дешевле, чем измерительный приемник (типичная стоимость
10 — 15 тыс. фунтов стерлингов). Оборудование этого вида широко
используется при таких испытаниях и проверках, когда
необходимо обеспечить быстрый просмотр полосы частот. Спектральный
дисплей с немедленным отображением исключительно полезен для
выявления частот, на которых действуют нежелательные
радиочастотные помехи, и характера этих помех, особенно если имеется
возможность сузить полосу просмотра до небольшой части полного
спектра. Анализатор спектра, имеющий в своем составе следящий
ЭМС для разработчиков продукции 139
генератор, пригоден для проведения контроля высокочастотных
откликов цепей.
Вместе с тем обычный анализатор спектра не является
альтернативой по отношению к измерительному приемнику в установках для
проведения испытаний на соответствие требованиям ЭМС вследствие
ограниченных чувствительности и динамического диапазона
сигналов, а также восприимчивости к перегрузкам. На рис. 3 (1) приведена
структурная схема типичного анализатора спектра. Входной сигнал
подается непосредственно на смеситель, где определяется полная
полоса частот анализатора. При этом не предусматривается повышение
избирательности входных цепей или возможность предварительного
усиления сигналов. Это приводит к трем последствиям. Во-первых,
повышается уровень собственных шумов, и если принять во
внимание ослабление сигналов в преобразователях и кабелях, то
чувствительность анализатора оказывается едва достаточной для выделения
сигнала из шумов при уровнях сигналов, близких к предельно
допустимым уровням помех (см. раздел 3.1.2.1). Во-вторых, диодный
смеситель является весьма недолговечным компонентом и легко
повреждается при воздействии кратковременного входного сигнала
переходного характера или при наличии длительной перегрузки на
входе. Если вы не будете предпринимать меры для защиты входных
цепей, то обнаружите, что перечень необходимых ремонтных работ
будет быстро увеличиваться. В-третьих, широкополосные сигналы
большой мощности могут перегрузить смеситель, в результате чего
возникает нелинейный режим работы, даже если уровень сигнала в
полосе частот детектора находится в пределах, не выходящих за
динамический диапазон работы прибора.
Преселектор
Вы можете найти анализатор спектра, характеристики которого
будут эквивалентны характеристикам измерительного приемника,
но и стоимость его в этом случае будет примерно эквивалентной
стоимости измерительного приемника. Поэтому для большинства
компаний более приемлемым компромиссом является улучшение
характеристик анализатора спектра за счет использования
следящего преселектора. Преселектор (рис. 3.1, Ь) представляет собой
отдельное устройство, которое обеспечивает защиту входных
цепей, предварительное усиление сигналов и содержит
сканирующий перестраиваемый фильтр, связанный с местным генератором
анализатора спектра. Предварительный усилитель улучшает
шумовые характеристики анализатора спектра таким образом, что
140
Измерение помехоэмиссии
они становятся эквивалентными характеристикам измерительного
приемника. Также важно и то обстоятельство, что наличие защиты
входных цепей позволяет безопасно использовать измерительный
прибор в условиях значительных перегрузок, так как перестраивае-
ширина полосы пропускания, опорный
обеспечивающая уровень
разрешение по частоте
-г-} /— I -*'"1
ширина полосы
пропускания
мдеотракта
скорость и полоса частот
г сканирования
а) анализатор спектра
в) следящий преселектор
входной t фильтр
аттенюатор I промежуточной
частоты
генератор
анализатор спектра
испытуемая
цепь
с) следящий генератор
Рис. 3.1 Структурная схема анализатора спектра
мый входной фильтр снижает мощность сигнала, поступающего на
смеситель, в сравнении с мощностью широкополосного сигнала, в
результате чего повышается эффективный динамический диапазон
анализатора спектра.
Негативной стороной применения следящего преселектора
является то обстоятельство, что его стоимость может быть равной
стоимости самого анализатора спектра, что приводит к удвоению
ЭМС для разработчиков продукции 141
стоимости всей системы. В продаже существуют преселекторы с
ручным управлением, неудобные в использовании, но вы можете
улучшить их характеристики путем доработки прибора. При
разработке изделия анализатор спектра может использоваться в
соответствии с назначением для проведения диагностических испытаний,
и вы можете подключить к нему преселектор только тогда, когда
наступит время для проведения испытаний изделия на соответствие
требованиям ЭМС.
Подобно измерительным приемникам, современные
анализаторы спектра с преселекторами являются программированными
и управляются через стандартный интерфейс по IEEE — 488. Для
них имеется в наличии необходимое программное обеспечение, что
позволяет использовать эти приборы при проведении испытаний на
соответствие требованиям ЭМС так же, как и измерительные
приемники (т.е. с применением персонального компьютера для
управления и обработки данных).
Следящий генератор
Применение следящего генератора совместно с анализатором
спектра позволяет без значительного увеличения стоимости
существенно увеличить измерительные возможности анализатора
спектра. С помощью следящего генератора и анализатора спектра
вы получаете возможность выполнять большой объем измерений,
связанных с частотной восприимчивостью к помехам, являющихся
необходимой составной частью полного комплекса испытаний
изделий в области ЭМС.
Следящий генератор (рис. 3.1, с) представляет собой генератор
сигналов, выходная частота которого связана с частотой измерений
анализатора спектра и сканируется по одному и тому же закону.
Выходное напряжение генератора поддерживается постоянным с
достаточно высокой точностью, обычно с отклонениями менее ^ 1
дБ, в полосе частот от 100 кГц до 1 ГГц. Это напряжение подается на
вход исследуемой цепи, выход которой подключается к анализатору
спектра. При этом на дисплее анализатора спектра можно
анализировать амплитудно-частотную характеристику исследуемой цепи.
Динамический диапазон при этом будет, теоретически, равен
динамическому диапазону анализатора спектра (около 120 дБ), но на
практике он ограничен из-за возникновения паразитной связи при
подключении кабелей к исследуемой цепи.
142 Измерение помехоэмиссии
Вы можете использовать комбинацию следящий генератор/
анализатор спектра для проведения нескольких видов испытаний в
области ЭМС, в целях:
оценки затухания в кабелях. Ослабление сигнала в
кабелях в функции от частоты должно учитываться
при проведении всех видов испытаний на помехоэ-
миссию;
проведения калибровки открытой испытательной
площадки (раздел 3.1.3.1). Затухание сигнала между
двумя калиброванными антеннами, размещаемыми
на площадке, в функции от частоты является
важнейшим параметром открытых испытательных
площадок;
оценки характеристик компонентов, фильтров,
аттенюаторов и усилителей, что является важнейшим
условием эффективного применения средств
обеспечения ЭМС;
оценки эффективности экранирования камер и
помещений;
определения структурных и схемных резонансов.
Ширина полосы пропускания
Уровень помехи, являющийся результатом измерений на
некоторой частоте, зависит от ширины полосы пропускания
измерительного приемника и импульсного отклика его детектора. Эти параметры
точно установлены в специальном стандарте, на который даны
ссылки во всех коммерческих стандартах в области помехоэмиссии,
основанных на работах СИСПР, и прежде всего в ЕН 55011, ЕН 55014
и ЕН 55022. Указанным специальным стандартом является
Публикация СИСПР 16-1 [152].
СИСПР 16-1 подразделяет общий диапазон частот измерений от
9 кГц до 1000 МГц на четыре полосы частот и устанавливает
значения измерительной ширины полосы пропускания измерительного
приемника, постоянные для каждой их этих полос частот (таблица
3.1). Источники помехоэмиссии могут быть отнесены к создающим
изкополосные помехи (как правило, гармонические составляющие
генераторов и сигналов) и широкополосные помехи (как правило,
вызванные повторяющимися включениями аппаратуры, действием
контроллеров и преобразованиями цифровых данных). Реальное
различие между узкополосными и широкополосными помехами
основано на том, как соотносится между собой ширина полосы
ЭМС для разработчиков продукции
143
частот помехи и ширина полосы пропускания измерительного
приемника. Помеха является широкополосной, если ширина ее полосы
частот превышает ширину полосы пропускания измерительного
приемника. Таким образом, помеху, имеющую ширину полосы
частот 30 кГц на частоте 20 МГц (полоса частот В в соответствии
с СИСПР), следует классифицировать, как широкополосную, в то
время как эту же помеху на частоте 40 МГц (полоса частот С в
соответствии с СИСПР) следует отнести к узкополосной.
Таблица 3.1 Ширина полосы пропускания измерительного приемника и параметры
детектора квазипиковых значений, установленные в СИСПР 16-1
Детектор квазипиковых
значений
Ширина полосы
пропускания в точках - 6 дБ, кГц
Электрическая постоянная
времени заряда
детектора, мс
Электрическая
постоянная времени разряда
детектора, мс
Коэффициент перегрузки
цепей, предшествующих
детектору, дБ
Полоса частот, установленная СИСПР
А
9 -150 кГц
0,2
45
500
24
В
0,15-30 МГц
9
1
160
30
с
30-300 МГц
D
300 -1000
МГц
I
120
1
550
43,5
Зависимость уровня шума от ширины полосы пропускания
приемника
Измеренный уровень широкополосной радиочастотной помехи
изменяется в зависимости от ширины полосы пропускания
измерительного приемника. При увеличении ширины полосы пропускания
возрастает число спектральных составляющих помехи,
воздействующих на измерительный приемник, и, следовательно,
увеличивается измеренный уровень помехи. С другой стороны, на измеренный
уровень узкополосной помехи ширина полосы пропускания
измерительного приемника влияния не оказывает. Собственный шум
приемника, учитывая причины его возникновения, естественно,
является широкополосным, и, следовательно, существует прямая
корреляция между «шумовым порогом» измерительного
приемника или анализатора спектра и его шириной полосы пропускания.
Минимальный уровень шума (максимальная чувствительность) из-
144
Измерение помехоэмиссии
мерительного приемника достигается при минимальной ширине его
полосы пропускания. Зависимость между уровнем шума и шириной
полосы пропускания приемника (BW) определяется выражением
(3.1):
Изменение уровня шума (дБ) = 10 lg (BWj / BW2).
(3.1)
Например, изменение ширины полосы пропускания приемника
от 10 кГц до 120 кГц приведет к увеличению шумового порога на
10,8 дБ.
3.1.1.4 Функции детектора
При измерениях радиочастотных помех обычно используются
детекторы трех видов: пиковых, квазипиковых и средних
значений. Характеристики этих детекторов установлены в Публикации
СИСПР 16-1 и являются различными для разных полос частот
СИСПР. Электромагнитные помехи редко имеют постоянный уро-
Р. QP, А
смодулированный сигнал
модулированный сигнал
импульсная модуляция (большой коэффициент заполнения импульса)
импульсная модуляция (средний коэффициент заполнения импульса)
I
Р
QP
А
Р
QP
А
Р
QP
А
импульсная модуляция (малый коэффициент заполнения импульса)
Р - пиковые значения,
QP - квазипиковые значения,
А средние значения
NB функционирование детектора зависит от характеристик модуляции сигнала.
Напряжение на выходе детекторов всех видов соответствует среднеквадратическому
значению немодулированного радиочастотного сигнала.
Рис. 3.2 Напряжение на выходе измерительного приемника при различных формах
модуляции сигнала и использовании детекторов различных видов
ЭМС для разработчиков продукции 145
вень в течение продолжительного времени. Радиочастотные
сигналы могут быть амплитудно модулированными, и как сигналы,
так и широкополосные помехи могут иметь импульсный характер.
Измеряемый уровень модулированной радиочастотной помехи при
различных формах модуляции будет зависеть от того, какой
детектор используется в измерительном приемнике. На рис. 3.2
приведены графики напряжения на выходе измерительного приемника при
различных формах модуляции сигнала на его входе и
использовании детекторов трех видов.
Детектор пиковых значений
Напряжение на выходе этого детектора почти мгновенно
достигает пикового значения сигнала, и процесс разряда происходит
довольно быстро. Если измерительный приемник настроен на
некоторую частоту, то пиковый детектор будет следовать огибающей
сигнала, и по этой причине иногда называется детектором
огибающей. Военные стандарты предусматривают широкое
использование пикового детектора при проведении испытаний, в то время как
методы испытаний, установленные в стандартах СИСПР в области
помехоэмиссии, применения пикового детектора не
предусматривают. Тем не менее мгновенный отклик детектора пиковых значений
делает его весьма подходящим для диагностических испытаний и
быстрого выявления помех в определенной полосе частот. Кроме
того, пиковый детектор может быть использован для ускорения
некоторых испытаний, проводимых при подтверждении
соответствия требованиям ЭМС, как указывается в разделе 3.1.4.3.
Детектор средних значений
Детектор средних значений, как следует из его названия,
измеряет среднее значение сигнала. Для непрерывного синусоидального
сигнала это будет величина, близкая к его пиковому значению, но у
импульсного или модулированного сигнала среднее значение будет
меньше, чем пиковое. ЕН 55022 [137] и стандарты, разработанные
на его основе, предусматривают применение детектора средних
значений при измерениях кондуктивных помех и при этом
устанавливают нормы средних значений помех, которые на 10 — 13 дБ ниже,
чем нормы квазипиковых значений. Цель установления этих норм
заключается в том, чтобы ужесточить требования к уровням
непрерывных помех в сравнении с импульсными помехами, которые дают
меньшие показания при использовании детектора средних значений
[81]. Простой способ осуществления измерений средних значений
146 Измерение помехоэмиссии
при использовании анализатора спектра заключается в том, чтобы
уменьшить ширину полосы пропускания цепей после детектора
(ширину полосы частот видеотракта) до значений меньших, чем
низшая частота модуляции или повторения импульсов [86].
Детектор квазипиковых значений
Детектор квазипиковых значений представляет собой детектор
средних значений со взвешенными значениями постоянных
времени заряда и разряда детектора (таблица 3.1), который
корректирует результаты измерений с учетом особенностей субъективного
восприятия человеком воздействия импульсных помех на процесс
радиоприема. Известно, что при малых частотах повторения
отрицательное воздействие импульсных помех на процесс радиоприема
оказывается меньшим, чем при значительных частотах повторения.
Поэтому детектор квазипиковых значений, по существу, ослабляет
при малых частотах повторения импульсов результаты измерений,
получаемых с помощью детектора пиковых значений. Другими
словами, с помощью детектора квазипиковых значений импульсные
помехи будут обрабатываться более «мягко», чем с помощью детектора
пиковых значений.
Однако для получения точных результатов измерений с
применением детектора квазипиковых значений измерения на каждой
частоте должны проводиться в течение времени, существенно
большего, чем значения постоянных времени заряда и разряда указанного
детектора.
3.7.1.5 Коэффициент перегрузки
При измерении импульсного сигнала с малым коэффициентом
заполнения импульса с помощью детектора квазипиковых или
пиковых значений результат измерений будет меньше, чем результат
измерений, полученный с помощью пикового детектора.
Соотношение между этими результатами измерений зависит от
коэффициента заполнения импульса, относительных постоянных времени
квазипикового детектора и частоты повторения импульсов. Для
получения точных результатов измерений сигнал, подаваемый на
детектор, должен быть неискаженным при уровнях, гораздо более
высоких, чем напряжение на выходе детектора. Чем меньше частота
повторения импульсов, тем выше должно быть пиковое значение
импульса на входе детектора, обеспечивающее один и тот же
результат измерений (рис. 3.3). Обычно входной аттенюатор
устанавливается таким образом, чтобы оптимизировать уровень сигнала,
ЭМС для разработчиков продукции
147
обрабатываемого в измерительном приемнике. Однако требования
к импульсному отклику приемника таковы, что каскады усиления
радиочастоты и промежуточной частоты измерительного
приемника должны быть сконструированы таким образом, чтобы сохранять
10 100 1кГц
частота повторения импульсов, Гц
ЮкГц
Рис. 3.3 Зависимость относительного уровня сигнала на выходе детекторов,
соответствующих требованиям СИСПР16-1, от частоты повторения импульсов
линейность при коэффициенте перегрузки до 43»5 дБ (полосы частот
С и D в соответствии с СИСПР). Это обстоятельство означает, что к
конструкции измерительного приемника предъявляются
исключительно сложные требования, и частично объясняет, почему высока
стоимость измерительных приемников, отвечающих требованиям
СИСПР 16-1, а также указывает на непригодность анализаторов
спектра для проведения импульсных измерений.
Та же самая проблема означает, что существует ограничение
частоты повторения импульсов, при котором помеха может быть
измерена с использованием детектора средних значений. Коэффициент
перегрузки измерительных приемников, работающих на частотах
до 30 МГц, должен составлять 30 дБ. При использовании детектора
средних значений эта степень перегрузки будет достигнута, если
при измерении импульсных помех частота повторения импульсов
составляет менее 300 Гц. По этой причине детекторы средних
значений предназначаются для измерений непрерывных сигналов, в том
числе модулированных или при наличии широкополосных помех,
но, как правило, не применяются при измерениях импульсных
помех.
148 Измерение помехоэмиссии
3.1.1.6 Время измерения
При использовании детектора квазипиковых значений и
детектора средних значений требуется достаточно длительное время
для того, чтобы сигнал их выхода установился на каждой частоте
измерений. Это время зависит от постоянных времени заряда и
разряда каждого детектора и измеряется в сотнях миллисекунд. При
проведении измерений в некоторой полосе частот обычный метод
заключается в пошаговой перестройке измерительного приемника
таким образом, чтобы величина шага составляла примерно
половину ширины его полосы пропускания и вся полоса частот измерений
была полностью перекрыта без пропусков. Для измерительных
приемников» характеристики избирательности которых соответствуют
требованиям СИСПР, оптимальная величина шага перестройки
частоты составляет около 0,6 от ширины полосы частот. Установление
большей величины шага противоречит требованиям обеспечения
точности измерений при любой форме сигнала. При проведении
испытаний на соответствие требованиям ЭМС необходимо провести
полный просмотр всей полосы частот. Потребное для этого время
определяется из выражения:
Т = (полоса частот / 0,5 ширины полосы пропускания) • (3.2)
• время задержки на каждой частоте.
Если ограничить время задержки на каждой частоте тремя
постоянными времени детектора, то время, необходимое для полного
просмотра полосы частот от 150 кГц до 30 МГц с использованием
детектора квазипиковых значений составит 53 минуты. При
измерениях с использованием детектора средних значений время
просмотра будет еще больше, если не будет применяться иной способ
измерений с использованием указанного детектора. Наибольшее
различие между нормами квазипиковых и средних значений помех
составляет 13 дБ (в соответствии со стандартом СИСПР 22, класс
А). Показания двух указанных детекторов будут различаться на
эту величину при измерении импульсных помех с частотой
повторения импульсов менее 1,8 кГц. Поэтому решающее значение при
измерениях импульсных помех с малыми частотами повторения
импульсов имеют всегда показания детектора квазипиковых значений.
Детектор средних значений будет обеспечивать точные измерения
модулированных или импульсных сигналов только в том случае,
если частота повторения превышает указанную величину. При этом
ЭМС для разработчиков продукции 149
может быть использовано достаточно малое время ожидания на
каждой частоте, порядка 1 мс.
Но при использовании детектора квазипиковых значений время
ожидания на каждой частоте должно быть увеличено, с тем чтобы
обеспечить обработку пиковых значений помехи и правильную
индикацию. Если характеристики измеряемых помех неизвестны, то
следует устанавливать время ожидания, по меньшей мере 1 с. Это
обстоятельство должно учитываться в применяемом методе
испытаний, что рассматривается ниже в разделе 3.1.4. Если вы используете
для измерений анализатор спектра, то существенные ограничения
должны быть наложены на скорость перестройки частоты [39].
3.1.1.7 Другие измерительные приборы
В продаже появлялись измерительные приборы, которые
выполняют некоторые функции анализаторов спектра при существенно
меньшей стоимости. К ним относятся аппараты, с помощью
которых осциллограф может выполнять функции спектрального
дисплея, или встраиваемые в персональный компьютер устройства,
выполняющие большинство функций обработки и индикации
сигналов. Такие устройства полезны при проведении
диагностических испытаний при условии, что вы учитываете свойственные
им ограничения, типичные из которых относятся к полосе частот,
стабильности, ширине полосы пропускания и/или
чувствительности. Значительная часть стоимости анализатора спектра или
измерительного приемника приходится на фильтры, определяющие
ширину полосы пропускания прибора и на генераторы сигналов.
Дешевые версии указанных приборов просто не могут иметь такое
качество функционирования, которое необходимо для точного
измерительного прибора.
Даже если измерения проводятся в целях диагностики, для
спектрального прибора, показаниям которого можно доверять,
необходимы стабильность частоты, точность и адекватная полоса
частот (полоса частот должна составлять: для измерений кондуктив-
ных помех 150 кГц — 30 МГц, для измерения излучаемых помех
30 МГц — 1 ГГц). Чувствительность прибора, эквивалентная
чувствительности анализатора спектра, необходима, если вы работаете
при уровнях сигналов, близких к нормам помехоэмиссии.
Недостатки дешевых устройств быстро станут очевидными, если в ваше
намерение входят детальные испытания на отдельных частотах,
связанных с эмиссией радиочастотных помех.
150 Измерение помехоэмиссии
3.1.2 Преобразователи
При проведении любых измерений радиочастотной
помехоэмиссии вам необходимо устройство, предназначенное для
преобразования измеряемой переменной величины в значение радиочастотного
напряжения, которое может быть подано на вход измерительного
прибора. Измеряемые переменные величины относятся к одному из
трех видов:
• напряженность электромагнитного поля излученной помехи;
• напряжение кондуктивной помехи в кабеле;
• сила тока кондуктивной помехи в кабеле.
Ниже рассматриваются преобразователи для измеряемых
переменных величин каждого из указанных видов.
3.1.2.1 Антенны
Основные положения, относящиеся к теории электромагнитных
полей, приведены в разделе 5.1.4.1. При измерениях
электромагнитных полей могут быть измерены либо электрические (Е), либо
магнитные (Н) компоненты поля. Для электромагнитного поля дальней
зоны указанные два компонента эквивалентны и связаны друг с
другом через волновое сопротивление свободного пространства:
Е /Н = Zo°= 120-п = 377 Ом, (3.3)
но для поля ближней зоны эти компоненты не связаны друг с
другом. В любом случае для связи электромагнитного поля с
измерительным приемником необходима антенна. Нормы электрического
поля устанавливаются в вольтах (или в микровольтах) на метр на
заданном расстоянии от испытуемого оборудования (ИО), в то время
как измерительный приемник калибруется в вольтах (или в
микровольтах) при входном сопротивлении 50 Ом. Калибровка антенны
должна быть произведена таким образом, чтобы можно было
выразить выходное напряжение антенны в вольтах при нагрузке 50 Ом
при заданной напряженности электромагнитного поля на каждой
частоте. Указанная зависимость известна как коэффициент
калибровки антенны.
Хотя эталонная антенна, установленная в СИСПР 16-1,
представляет собой настраиваемый симметричный вибратор, допускается
также использование широкополосных антенн, которые не
требуют настройки на каждой частоте. Ранее были наиболее известны
широкополосные антенны двух видов: биконическая для полосы
ЭМС для разработчиков продукции 151
частот 30 — 300 МГц и логопериодическая для полосы частот
300 — 1000 МГц. Некоторые из этих антенн имеют различные
полосы частот, но всегда возможно последовательно использовать бико-
ническую и логопериодическую антенны для того, чтобы перекрыть
полосу частот 30 — 1000 МГц. В настоящее время эти две антенны
объединены в одну конструкцию таким образом, чтобы подводящий
фидер мог работать во всей полосе частот; антенны этого вида теперь
имеются в продаже и, естественно, известны по названием «билога-
рифмических» («BiLog»), Главным преимуществом таких антенн,
особенно важным при их применении в испытательных
лабораториях, является то, что полный цикл испытаний на эмиссию
излучаемых радиочастотных помех (и на устойчивость к излучаемым
радиочастотным помехам) может быть выполнен без замены
антенны, что естественно приводит к ускорению испытаний и делает их
более надежными.
Преимуществом настраиваемого симметричного вибратора
является то, что его функционирование может быть точно предсказано.
Поскольку эта антенна при настройке может быть применена лишь
на отдельных частотах, она применяется не при повседневных
измерениях, а как средство настройки широкополосных антенн,
контроля за испытательной площадкой, измерения затухания
испытательных площадок, а также для других, более специализированных
целей.
Коэффициент калибровки
Те, кто использует антенны для целей радиосвязи, знакомы с
требованиями к усилению антенны и касающимися ее
направленности, но при измерениях помехоэмиссии в целях обеспечения ЭМС
указанные требования не играют значительной роли.
Антенна всегда ориентируется для получения максимального
сигнала на выходе. Наиболее важным параметром антенны
является коэффициент калибровки, и каждая калиброванная
широкополосная антенна всегда снабжается таблицей, в которой указана
зависимость от частоты коэффициента калибровки, в дБ (1/м).
Калибровка антенн более детально рассматривается в разделе 3.1.5.3.
Типичные зависимости коэффициента калибровки биконической и
логолериодической антенн от частоты приведены на рис. 3.4. Для
того чтобы перейти от измеренного напряжения на входе
измерительного прибора на некоторой частоте к действительной
напряженности поля в месте расположения антенны, вы должны прибавить к
измеренному напряжению коэффициент калибровки и затухание в
152
Измерение помехоэмиссии
кабеле (рис. 3.5). Так же как и коэффициент калибровки, затухание
в кабеле зависит от частоты.
Т 25
20
15
* ю
i
I 5
8 о
\
>
\
\
. /
/
/ "
биконическая
антена
У
—**
>
антен
/
ериодич
а
У
еская
30 10° частота, МГц 30° 100°
Рис. 3.4 Типичные зависимости коэффициента калибровки антенны от частоты
Напряженность
лоляЕ
Затухание кабеля А
Коэффициент
калибровки AF
50 Ом
Е[дБ{мкВ/м)]=У[дб(мкВ)+АР[дБ( 1 /м)]+А{дБ)
Рис. 3.5 Преобразование измеренного напряжения в напряженность поля
Чувствительность системы
При проведении измерений излучаемых помех с помощью
антенны и анализатора спектра могут возникнуть серьезные проблемы.
Испытания на соответствие нормам излучаемых радиочастотных
помех проводятся, как правило, при измерительном расстоянии 10
м. Наиболее жесткие нормы, установленные в обычных
коммерческих стандартах ЕН, относятся к классу Б и составляют 30 дБ
(мкВ/м) для полосы частот ниже 230 МГц и 37 дБ (мкВ/м) для
полосы частот выше 230 МГц. Минимальный измеряемый сигнал будет
определяться шумовым порогом анализатора спектра (см. раздел
ЭМС для разработчиков продукции
153
3.1.1.3), который при ширине полосы пропускания 120 кГц будет в
типичном случае составлять + 13 дБ (мкВ). Для того чтобы получить
полную чувствительность системы, к этой величине должны быть
прибавлены коэффициент калибровки антенны и затухание в
кабеле. Учитывая при расчете коэффициенты калибровки
рассмотренных выше антенн и принимая типичное затухание в кабеле, равным
3 дБ на частоте 1 ГГц, получим, что общий шумовой порог системы
возрастает до 41 дБ (мкВ/м), как показано на рис. 3.6, что на 4 дБ
выше установленной нормы.
+50 _
+40 _
+30
+20 _
-20 J
Нормы ЕН класса В (измерительное расстояние 10 м)
Шумовой порог системы без
предварительного усиления
Шумовой порог анализатора спектра в отдельности
Шумовой порог системы с
предварительным усилением
100
300
600
800 1ГГц
Шумовой порог анализатора спектра
с предварительным усилителем
Рис. 3.6 Чувствительность системы
Требования к чувствительности измерительного прибора,
установленные в Публикации СИСПР 16-1, заключаются в том, что
собственный шум измерительного прибора не должен при проведении
испытаний на соответствие приводить к ошибкам, превышающим
1 дБ. Для этого шумовой порог должен быть по меньшей мере на 6 дБ
ниже, чем измеряемая величина.
Следовательно, полные испытания на соответствие нормам
излучаемых помех класса Б не могут быть выполнены с помощью
анализатора спектра, применяемого в отдельности. Для решения
возникшей проблемы существует три возможности. Во-первых,
измерительное расстояние может быть уменьшено до 3 м, в результате
чего значение нормы возрастает на 10 дБ. Однако при этом
увеличиваются ошибки и, кроме того, запас чувствительности в верхнем
154 Измерение помехоэмиссии
участке полосы частот измерений все равно остается недостаточным.
Во-вторых, можно вместе с анализатором спектра использовать
предварительный усилитель или преселектор. При этом общий
шумовой порог системы будет снижен на величину, равную введенному
предварительному усилению, за вычетом коэффициента шума
усилителя, что в типичных случаях составляет 20 — 25 дБ. Наконец,
может быть использован измерительный приемник, который имеет
существенно более высокую собственную чувствительность.
Поляризация
В электромагнитном поле дальней зоны векторы
электрического и магнитного поля взаимно перпендикулярны (Приложение С,
раздел С.З). По отношению к окружающим предметам
электромагнитное поле может быть вертикально или горизонтально
поляризованным или может иметь любое направление поляризации между
горизонтальным и вертикальным.
Действительная поляризация электромагнитного поля зависит
от характеристик излучателя и условий отражения от других
объектов. Сигнал на выходе антенны будет иметь максимальную
величину, если плоскость поляризации антенны совпадает с плоскостью
поляризации воздействующего электромагнитного поля и будет
иметь минимальную величину, если эти плоскости
перпендикулярны. Плоскости поляризации как биконической, так и логопериоди-
ческой антенн совпадают с плоскостью, в которой расположены их
элементы. Измерения помехоэмиссии, проводимые в соответствии с
требованиями публикаций СИСПР, должны осуществляться с
применением антенн с линейной поляризацией. Применение антенн с
круговой поляризацией, таких как спиральная логопериодическая
антенна, которая является наиболее часто используемой
широкополосной антенной при проведении испытаний на помехоустойчивость
по требованиям военных стандартов, исключено при проведении
испытаний на помехоэмиссию в соответствии с Публикацией СИСПР
16-1.
3.1.2.2 Рамочная антенна
Большинство измерений помехоэмиссии проводится в полосе
частот от 30 до 1000 МГц. Несколько стандартов предусматривают
измерения излучаемых помех на частотах ниже 30 МГц. В этих
случаях измеряется напряженность магнитного поля и при
измерениях используется рамочная антенна. Измерения магнитного поля
являются более воспроизводимыми в ближней зоне в сравнении с
ЭМС для разработчиков продукции 155
измерениями электрического поля» на параметры которого сильно
влияют расположенные поблизости предметы. Рамочная антенна
представляет собой просто катушку провода, на выходных зажимах
которой, в соответствии с законом Фарадея, возникает
напряжение:
E = 4it • 107 • N -A- 2ъ • F • Н, (3.4)
где: N — число витков в катушке;
А — площадь рамки, м2;
F — частота измерений, Гц;
Н — напряженность магнитного поля, А/м.
Низкое полное сопротивление рамки не согласуется с входным
сопротивлением типичных измерительных приборов, равным
50 Ом. Кроме того, зависимость выходного напряжения рамочной
антенны от частоты затрудняет измерения в полосе частот,
превышающей три декады. Эти недостатки могут быть исключены при
введении в состав рамочной антенны предварительного
усилителя, который корректирует частотную характеристику антенны и
согласует ее выходное сопротивление с входным сопротивлением
измерительного прибора. Питание предварительного усилителя
может осуществляться от батареи или от измерительного прибора.
Коэффициент калибровки в полосе частот такой «активной»
рамочной антенны может не зависеть от частоты. Недостатком указанной
антенны является возможность насыщения при больших уровнях
сигналов. Для предупреждения о перегрузке необходимо
предусматривать определенную индикацию.
Рамочная антенна Ван-Вина (трехкоординатная рамочная
антенна)
Недостатком рамочных антенн, применяемых на определенном
расстоянии от источника излучения, является их малая
чувствительность на низких частотах. Альтернативным методом
измерений [32] является применение рамочной антенны, охватывающей
испытуемое оборудование (ИО). Практическая реализация этого
метода заключается в использовании трех взаимно ортогональных
рамочных антенн диаметром 2—4 м. Токи, наводимые в указанных
рамочных антеннах, воспринимаются трансформаторами тока, и
эти три сигнала по очереди измеряются с помощью измерительного
приемника. Указанная антенна называется трехкоординатной ра-
156
Измерение помехоэмиссии
мочной антенной (ТРА), или, по фамилии изобретателя, антенной
Ван-Вина. Требования и методы испытаний с применением
указанной антенны уже установлены в стандарте ЕН 55015,
распространяющемся на световое оборудование.
3.1.2.2 Эквиваленты сети
Для того чтобы измерить напряжение кондуктивных помех
на сетевых зажимах, вам необходимо применить эквивалент сети
(схему стабилизации импеданса сети (LISN), который
предназначен для обеспечения регламентированного полного сопротивления
в установленной полосе радиочастот для напряжения помех,
создаваемых ИО, подачи напряжений помех, действующих на
регламентированной нагрузке к измерительному приемнику и изоляции
испытательного оборудования от нежелательных сигналов,
действующих в электрической сети. Наиболее распространенным является
эквивалент сети, требования к которому установлены в Публикации
СИСПР 16-1 и полное сопротивление которого между каждой
линией электрической сети и заземлением создается резистором
сопротивлением 50 Ом, параллельно которому включена катушка
индуктивности 50 мкГн (рис. 3.7). Требования установлены и для других
эквивалентов сети, но эквивалент с параметрами 50 Ом / 50 мкГн
является эталонным.
2 100
о
10
г
югрешность ±20%
ЭКЕ
50
и вал ее
Ом/5С
>
it се
мк!
f
ти
"н -
-!
1111
Тпт
1 1 1 1
1 1 111 1
эквивалент сети 50 Ом/50 мкГн
(до частоты 150кГц)
Ом
г
Е
-
-
1
ЮкГц ЮОкГц 1МГц 10МГц 30МГц
Рис. 3.7 Зависимость модуля полного сопротивления эквивалента сети от частоты
* EMSCAN — торговая марка компании Northern Telecom, Canada
ЭМС для разработчиков продукции 157
Заметим, что полное сопротивление указанного эквивалента
сети не определяется для частот выше 30 МГц. Это обусловлено тем,
что измерения кондуктивных помех на соответствие требованиям
коммерческих стандартов не требуется проводить на частотах выше
30 МГц (аэрокосмические и автомобильные стандарты ЭМС
предусматривают кондуктивные измерения на более высоких частотах,
но устанавливают иные параметры эквивалентов сети). Кроме того,
паразитные реактивные сопротивления затрудняют
конструирование эквивалентов сети с предсказуемыми характеристиками на
частотах выше 30 МГц. В Публикации СИСПР 16-1 приведена схема
эквивалента сети, предлагаемая для каждой линии электропитания
(рис. 3.8), но эта схема в действительности лишь устанавливает
характеристики полного сопротивления. Главными элементами,
определяющими полное сопротивление эквивалента сети, являются
входное сопротивление измерительного прибора, катушка
индуктивности 50 мкГн и резистор сопротивлением 5 Ом. Остальные эле-
250мкГн 50мкГн
( -о—*
4мкФ 8мкФ 0.25мкФ
Испытуемое
сеть
электропитания { МО Ом I I 5 Ом
у
оборудование
50 Ом
| измерительный
приемник
измерительное у
эталонное ^^
заземление ■■
Рис. 3.8 Схема эквивалента сети (для одной линии)
менты схемы служат для развязки испытательного оборудования от
сети электропитания. В составе эквивалента сети, как правило,
дополнительно применяется фильтр верхних частот между
выходными зажимами эквивалента и измерительным приемником, с
частотой среза ниже 9 кГц. Указанный фильтр защищает измерительный
приемник от воздействия гармоник сетевого напряжения, уровни
которых могут быть значительными. Естественно, что указанный
фильтр верхних частот не должен нарушать установленную
величину активного сопротивления эквивалента сети 50 Ом и должен
иметь вполне определенное вносимое затухание в полосе частот
измерений (желательно равное 0 дБ).
Ток утечки
В схеме эквивалента сети предусмотрена значительная емкость
между каждой линией электрической сети и землей (в целом около
158
Измерение помехоэмиссии
12 мкФ). При включении эквивалента сети в электрическую сеть
напряжением 240 В в цепи защитного заземления возникнет ток
утечки силой около 9 А. Этот ток опасен для жизни, и,
следовательно, эквивалент сети должен быть, для обеспечения безопасности,
постоянно подключен к системе защитного заземления. Если это не
выполнено, то корпус эквивалента сети, испытуемое оборудование
и кабель, подходящий к измерительному приемнику, оказываются
под напряжением. В качестве меры предосторожности
рекомендуется жестко прикрепить эквивалент сети к применяемой в
испытательной лаборатории пластине заземления и не допускать
перемещения эквивалента сети по лаборатории! Значительный ток утечки
эквивалента сети приводит еще к одному последствию.
Эквиваленты сети не могут быть непосредственно включены в электрическую
сеть, в которой применяются устройства защитного отключения,
управляемые дифференциальным током или током утечки. Однако
обе указанные проблемы решаются, если эквивалент сети
включить в сеть через изолирующий трансформатор.
Диагностика с помощью эквивалента сети
Рассмотренный эквивалент сети электропитания, по существу,
подключает измерительный прибор между проводом сети и землей
и поэтому не может выявить симметричное напряжение помехи
(напряжение «линия — линия») и общее несимметричное напряжение
(напряжение «линия — земля») (см. раздел 5.2.2). Изменение схемы
эквивалента сети (рис. 3.9) позволит вам дополнительно определять
сумму или разность напряжений помех, действующих в фазных и
изменение Vo6u;-VCMMM ^ v
VCHMM - симметричное напряжение
^ "общ
симм
имметричное напряжение
Рис. 3.9 Изменение эквивалента сети для измерений симметричного и общего
несимметричного напряжений помех
нейтральном проводах, что соответствует симметричному и
общему несимметричному напряжению помехи [105]. Эти измерения не
ЭМС для разработчиков продукции 159
нужны при испытаниях на соответствие, но весьма полезны при
проведении диагностических испытаний сетевых помехоподавляю-
щих фильтров.
3.1.2.4 Другие устройства для измерений кондуктивных
помех
Третье издание стандарта ЕН 55022 содержит положения,
касающиеся испытаний на соответствие нормам помех на
телекоммуникационных портах. Предпочтительный метод таких испытаний
основан на использовании одного из вариантов эквивалента сети
связи, который конструируется таким образом, чтобы
воспроизвести характеристики кабелей связи и передачи данных категорий 3
и 5, установленных в стандарте ИСО / МЭК 11801. Это устройство
должно иметь общее несимметричное сопротивление 150 Ом и
тщательно контролируемую величину затухания продольного
перехода. Этот параметр определяет уровень общего несимметричного
напряжения, возникающего на зажимах аппарата при наличии на
указанных зажимах симметричного напряжения. Так как эти
требования могут применяться для кабелей разных видов, в стандарте
предусмотрены и другие методы связи, но они установлены без
необходимой детализации.
3.1.2.5 Поглощающие клещи и токосъемник
При измерении уровня помехоэмиссии на частотах выше 300
МГц вы можете, помимо непосредственного измерения параметров
излучаемого электромагнитного поля помех, измерить также
параметры токов помех в подключенных к аппарату кабелях и соотнести
результаты измерений с допустимыми значениями напряженности
поля помех. Процедуры измерений мощности тона помех в сетевых
проводниках установлены в единственном стандарте — ЕН 55014,
который применяется исключительно к малым аппаратам,
подключаемым к электрической сети с помощью сетевого кабеля (шнура) с
вилкой. Хотя испытания такого рода имеют то преимущество, что
они не нуждаются в использовании большой открытой
испытательной площадки, их следует проводить в большом полностью
экранированном помещении, причем метод испытаний является отчасти
грубым. При этом используется преобразователь, представляющий
собой поглощающее устройство, известное, как ферритовые клещи.
Ферритовые поглощающие клещи (часто называемые клещами
MDS-21) состоят из трансформатора тока, использующего два или
160
Измерение помехоэмиссии
три ферритовых кольца, разрезанных для того, чтобы можно
упростить ввод кабеля внутрь колец, с петлей связи (рис. 3.10). За этими
кольцами установлены другие ферритовые кольца, образующие
поглотитель мощности и стабилизатор полного сопротивления,
которые охватывают сетевой кабель, в котором осуществляются из-
ферритовые кольца (в корпусе поглощающих клещей)
ИО
к анализатору
спектра или
измерительному
прибору
трансформатор
тока
ОДДД* ГТТТП ГТН
ферритовые кольца
испытуемый
проводник
расстояние изменяется для
получения максимальных показаний
ферритовые кольца
(поглотитель мощности)
Рис. 3.10 Ферритовые поглощающие клещи
мерения. Поглощающие клещи калибруются в единицах мощности
сигнала на выходе в зависимости от мощности помех на входе, т.е. в
единицах вносимого затухания. Цель применения ферритового
поглотителя заключается в том, чтобы ослабить отражения и
исключить прохождение в кабель внешних сигналов, которые в противном
случае будут оказывать влияние на трансформатор тока.
Проводник, соединяющий трансформатор тока и измерительный
приемник, также окружается ферритовыми кольцами для того, чтобы
ослабить токи, протекающие по экрану этого кабеля. Поскольку
напряжение на выходе трансформатора тока пропорционально общему
несимметричному току помех, протекающему в измеряемом кабеле,
это напряжение может быть использовано в качестве результата
непосредственного измерения мощности помех, и поглощающие
клещи могут быть, как устройство с двумя портами, калиброваны для
получения зависимости входной мощности от выходной.
В Публикации СИСПР 16-1 установлены конструкция, порядок
калибровки и способы применения ферритовых поглощающих
клещей. Помимо использования поглощающих клещей для проведения
определенных испытаний на соответствие, они также могут быть
применены в диагностических целях для проверки результатов, к
которым приводят вносимые в схему изменения. Для этого с
помощью поглощающих клещей проводятся непрерывные
сравнительные измерения на одном и том же проводе. Значительный интерес
ЭМС для разработчиков продукции 161
к использованию поглощающих клещей вызван тем, что испытания
с их помощью заменяют большой объем испытаний на соответствие
нормам излучаемых радиочастотных помех, особенно для
оборудования малых размеров, когда излучение помех происходит
в основном от кабелей. Предлагалось применять поглощающие
клещи для проведения испытаний, предшествующих испытаниям
на соответствие [121], с последующей корректировкой результатов
измерений путем использования соответствующих эмпирически
подобранных поправочных коэффициентов, таким образом, чтобы
измерения излучаемой помехоэмиссии были проведены затем лишь
для нескольких наиболее критических частот. Существует еще один
общепринятый способ использования поглощающих клещей при
испытаниях на помехоэмиссию и на помехоустойчивость. Он состоит
в их использовании на концах кабелей, подключаемых к
испытуемому оборудованию. В этом случае поглощающие клещи
предотвращают возникновение резонансов в кабелях и уменьшают изменения
результатов испытаний из-за влияния нагрузок кабелей. Если
клещи используются таким образом, то их выходной кабель остается
неподключенным. Хотя этот способ и является общепринятым, если
поглощающие клещи имеются в наличии, столь же эффективным
будет применение гирлянды из 6 — 10 больших защелкивающихся
ферритовых муфт.
Токосъемник
При проведении диагностических испытаний полезен также
токосъемник, который, имеет, в сущности, такую же
конструкцию, как и поглощающие клещи, но не содержит поглотителей.
Токосъемник представляет собой калиброванный широкополосный
трансформатор тока, сконструированный в виде токовых клещей.
Военные стандарты предусматривают использование токосъемника
при испытаниях на сборках кабелей, третье издание стандарта ЕН
55022 устанавливает метод испытаний для телекоммуникационных
портов, где предусмотрено использование токосъемника при
испытаниях некоторых видов. Требования к токосъемникам включены в
Публикацию СИСПР 16-1. Поскольку в конструкции токосъемника
отсутствуют поглотители, радиочастотное общее несимметричное
сопротивление нагрузки испытуемой линии следует зафиксировать
другим способом. Для этого должна быть применена схема
стабилизации импеданса, которая не должна препятствовать прохождению
сигналов в испытуемой линии.
162
Измерение помехоэмиссии
Большим преимуществом как поглощающих клещей, так и
токосъемника является то обстоятельство, что при их
использовании нет необходимости прямого подключения к испытуемому
кабелю. На частотах ниже 30 МГц токосъемник оказывает
минимальное воздействие на испытуемое устройство, что проявляется
лишь в незначительном увеличении общего несимметричного
сопротивления. Необходимо отметить, что на более высоких
частотах влияние общей несимметричной емкостной связи между
токосъемником и кабелем становится значительным.
3.1.2.6 Пробники поля ближней зоны
Очень часто вам необходимо обнаружить источник
электромагнитной эмиссии в изделии. Для этой цели используется комплект
пробников поля ближней зоны (известны также, как «нюхалки»).
Указанные устройства обнаруживают наличие напряженности
электромагнитного поля в ближней зоне, и, следовательно, вам
будут необходимы пробники двух видов, одного вида — для
обнаружения электрического поля (штыревой конструкции) и другого — для
обнаружения магнитного поля (рамочной конструкции).
Изготовить достаточно хорошие пробники несложно. Для этого
используется коаксиальный кабель (рис. 3.11). Вы также можете приобрести
калиброванные пробники. Для изучения процессов в частотной
области пробники могут быть подключены к анализатору спектра, во
временной области — к осциллографу.
небольшой участок,
подвергаемый
воздействия поля
изолирующий
наконечник
неэкранированный
промежуток
внутренний проводник
припаивается к экрану
кабеля в "подлокотнике'
Пробник
электрического^
поля
диаметр
определяет
чувствительность
Пробник
магнитного
поля
Рис. 3.11 Самодельные пробники поля ближней зоны
При изготовлении пробника должен быть достигнут компромисс
между чувствительностью и точностью определения
местоположения излучающих элементов. Чем меньше пробник, тем точнее он
может обнаруживать источники сигналов, но тем меньшей
чувствительностью он будет обладать. Если вы работаете со схемами низкой
ЭМС для разработчиков продукции 163
мощности, то вы можете повысить чувствительность пробника,
используя предварительный усилитель. Хороший пробник
магнитного поля является нечувствительным к электрическому полю
и наоборот. Это означает, что пробник электрического поля будет
обнаруживать режимы работы элементов, связанные со
значительными величинами dv/dt> но не будет реагировать на протекание
постоянного тока; пробник магнитного поля будет воспринимать пути
протекания токов со значительными величинами di/dt, но не будет
реагировать на точки с постоянным напряжением.
Пробники ближнего поля могут быть откалиброваны в
единицах выходного напряжения в зависимости от напряженности
поля, но эти данные следует использовать с определенной
осторожностью. Результаты измерений не могут быть
непосредственно экстраполированы для определения напряженности поля в
дальней зоне (как на открытой площадке) потому, что в ближней
зоне, в зависимости от вида источника излучения, будет
доминировать один из компонентов поля (Б или Н). Напряженность
электромагнитного поля от совокупности излучающих
источников будет различной в ближней и дальней зоне поля. Кроме того,
сам пробник искажает измеряемое поле. Поэтому измерение
напряженности поля с помощью пробника не является
первоочередной задачей. Важнее не допустить ошибки с
идентификацией обнаруженной «горячей точки». За «горячую точку» вы
можете принять некоторый элемент схемы, в то время как
излучение может поступать от кабеля или совсем другого элемента и
приходить в эту точку сложными путями. Наилучшим образом
пробники используются не для абсолютных измерений, а для
прослеживания и сравнения источников излучений.
3.1.2.7 Сканирующие устройства поля ближней зоны
Специфической реализацией принципа пробника поля
ближней зоны является плоское сканирующее устройство, такое, как
EMSCAN ТМ* . Это устройство было разработано и запатентовано в
Bell Northern Research в Канаде и в настоящее время аналогичные
устройства изготовляются конкурирующими фирмами. Это
устройство, по существу, представляет собой плоскую антенну, состоящую
из крошечных пробников магнитного поля ближней зоны,
сконструированную в виде сетки на основе многослойной печатной платы
[58]. Выходы всех пробников с использованием специального
программного обеспечения подключаются к селективному измеритель-
164 Измерение помехоэмиссии
ному прибору, показания которого, в свою очередь, отображаются
на графическом дисплее управляющего компьютера. Устройства
конкурирующих фирм могут также использовать единственный
пробник, который перемещается по осям X и Y с помощью шагового
двигателя, как в графопостроителе.
Такое устройство используется для почти мгновенного
построения двумерной картины радиочастотных токов, циркулирующих
внутри печатной платы, расположенной над блоком сканирования.
При его использовании можно построить либо зависимость
амплитуды напряженности поля ближней зоны от частоты при
расположении датчика поля в определенном месте, либо карту распределения
токов в координатах X , Y для определенной частоты. Для
конструктора аппаратуры это устройство может мгновенно показать,
каков результат каждого корректирующего изменения, внесенного
в исследуемую печатную плату; в системе обеспечения качества
продукции это устройство может быть использовано для определения
качества группы отобранных образцов путем их сравнения с заранее
известными образцами стандартного качества.
3.1.2.8 Испытания на помехоэмиссию с использованием
гигагерцевой ТЕМ-камеры
Использование гигагерцевых ТЕМ (GTEM)-KaMep для
испытаний на устойчивость к радиочастотным помехам рассматривается в
разделе 4.1.1.4. Такое устройство, при определенных
предосторожностях, может также использоваться для проведения испытаний
на помехоэмиссию. Гигагерцевая ТЕМ-камера представляет собой
закрытую линию передачи специальной формы, сужающуюся
к одному из концов, которая на другом конце имеет
широкополосную радиочастотную нагрузку. Такая конструкция исключает
появление резонансов и обеспечивает плоскую частотную
характеристику от постоянного тока до частот, существенно превышающих
1 ГГц. Испытуемое оборудование, размещенное внутри указанной
передающей линии, будет связано с ней, и, следовательно, уровень
излучаемой помехоэмиссии может быть непосредственно измерен
на выходном конце ТЕМ-камеры. К значительным преимуществам
такого способа испытаний относится то, что не требуется антенна
и открытая испытательная площадка, измерения во всей полосе
частот осуществляются при однократной перестройке частоты и
отсутствуют внешние помехи.
ЭМС для разработчиков продукции 165
Однако при испытаниях на соответствие необходимо, чтобы
измерения проводились таким образом, как это установлено для
измерений на открытой испытательной площадке. Это требует, чтобы
результаты измерений в гигагерцевой ТЕМ-камере коррелирова-
лись с результатами измерений на открытой площадке. Указанное
требование может быть реализовано при использовании метода и
программного обеспечения, описанных в [134]. В соответствии с
этим методом измерения проводятся в ТЕМ-камере при трех
ортогональных ориентациях ИО, путем троекратного прохождениях
полосы частот. Затем, в соответствии с программой, для каждой
частоты определяется комплект элементарных электрических и
магнитных дипольных моментов, после чего вновь рассчитывается
значение напряженности поля дальней зоны, созданного
указанными дипольными моментами, при соответствующем измерительном
расстоянии.
Ограничения указанного способа заключаются в том, что
испытуемое оборудование должно быть «электрически малым», т.е.
его размеры должны быть малы в сравнении с длиной волны.
Подключенные кабели создают отдельную проблему, учитывая, что они
часто являются основными излучающими элементами и что кабели
в редких случаях можно считать «электрически малыми», даже
если таковым является испытуемое оборудование. Хорошая
корреляция измерений была экспериментально подтверждена для ИО
малых размеров без подключенных кабелей [40, 103]. Вместе с тем
исследования показывают, что корреляция ухудшается при
увеличении размеров ИО и при подключении к ним кабелей. Практически
можно считать, что использование гигагерцевых ТЕМ-камер
является полезным при осуществлении измерений уровней излучаемых
помех. При этом необходимо иметь в виду указанные выше
ограничения и устанавливать при измерениях определенный запас,
учитывающий неопределенность корреляции результатов.
3.1.3 Установки
3.1.3.1 Эмиссия излучаемых помех
В настоящее время испытания на соответствие нормам
излучаемых радиочастотных помех следует проводить на открытой
испытательной площадке (open area test site, OATS). Минимальные
характеристики, при которых открытая испытательная площадка еще
может быть применена при проведении испытаний, установлены в
стандарте ЕН 55022 и в разделе 5.6 Публикации СИСПР 16-1. Такая
166
Измерение помехоэмиссии
площадка обладает установленными характеристиками
радиочастотного затухания между излучающей и измерительной
антеннами (указанное затухание известно, как затухание площадки). Для
того чтобы избежать нежелательного влияния на результаты
измерений, поблизости от испытательной площадки не должно быть
объектов, которые могут отражать радиочастотное электромагнитное
излучение. Размеры испытательной площадки СИСПР показаны на
рис. 3.12. Эллипс на рисунке определяет поверхность, которая
должна быть плоской и свободной от отражающих объектов. На практике
граница зоны,
свободной от
отражающих
предметов /1м|
Si
максимальные размеры
антенны
максимальные
L- измерительное^583^"1 И0
расстояние
(3 м, 10 м или 30 м)
Рис. 3.12 Открытая испытательная площадка СИСПР
для обеспечения хорошей повторяемости результатов, получаемых
на различных испытательных площадках, желательно, чтобы от
отражающих объектов была свободна значительно большая площадь.
Это означает, что помещения, в которых размещается контрольное и
испытательное оборудование, должны быть расположены на
определенном расстоянии от испытательной площадки. Альтернативным
способом является размещение указанных помещений ниже
уровня пластины заземления непосредственно под ней. Это достигается
либо размещением этих помещений под землей, либо
использованием в качестве испытательной площадки плоской крыши
существующего здания.
Пластина заземления
Поскольку исключить отражения от земли при использовании
испытательной площадки невозможно, этим отражениям прида-
ЭМС для разработчиков продукции 167
ется регулярный характер за счет применения пластины
заземления. Минимальные размеры пластины заземления указаны на рис.
3.12. Увеличение размеров пластины заземления сверх указанных
минимальных значений будет приближать затухание площадки к
теоретическому. Это связано с тем обстоятельством, что рассеяние
электромагнитных волн на краях пластины заземления вносит
значительный вклад в ошибки измерений, хотя эти ошибки могут быть
уменьшены, если края пластины заземления прикрываются почвой
[87]. Изготовлению пластины заземления необходимо уделить самое
серьезное внимание. Следовало бы предпочесть пластину
заземления, изготовленную из сплошных металлических листов,
сваренных между собой, хотя это и может быть непрактичным. Пригодна
электрически соединенная проволочная сетка, так как она легко
высыхает после дождя и сопротивляется короблению при высоких
температурах, если хорошо натянута. Отверстия или зазоры не
должны быть больше 0,1 \ на наивысшей частоте (т.е. 3 см).
Обычная проволочная сетка непригодна, если отсутствует электрическое
соединение при каждом перекрещивании проволок. В соответствии
с Публикацией СИСПР 16-1 размер неровностей поверхности
пластины заземления не должен превышать 4,5 см.
Измерительное расстояние
Измерительное расстояние d между ИО и приемной антенной
определяет общие размеры испытательной площадки и,
следовательно, ее стоимость. Существует три общепринятых измерительных
расстояния: 3,10 и 30 м. В стандарте ЕН 55022 измерительное
расстояние устанавливается между границей ИО и центром антенны,
хотя в стандарте ЕН 55011 это расстояние установлено относительно
центра поворотной платформы. Проверки соответствия могут быть
проведены при измерительном расстоянии 3 м, исходя из
предположения, что уровень, измеренный на расстоянии 10 м, будет на 10 дБ
меньше (напряженность поля должна быть пропорциональной 1/d).
Это утверждение не вполне справедливо для низкочастотного конца
полосы частот измерений, так как в этом случае измерительное
расстояние 3 м соответствует ближней зоне поля. Практика
показывает, что применение в этом случае линейной зависимости 1/d
приводит к более оптимистическим результатам, чем непосредственные
измерения на расстоянии 10 м.
168 Измерение помехоэмиссии
3.1.3.2 Подтверждение пригодности площадки.
Нормализованное затухание площадки
Затухание площадки представляет собой вносимое затухание,
измеряемое между зажимами двух антенн, расположенных на
испытательной площадке, при условиях, что высота установки одной
из антенн изменяется в определенных пределах и обе антенны
имеют одну и ту же поляризацию. Величина затухания измеряется в
децибелах для каждой частоты, на которой проводятся измерения.
Из указанной величины вычитаются коэффициенты калибровки
передающей и приемной антенн для того, чтобы получить
нормализованное затухание площадки, которое должно характеризовать
лишь качество самой площадки вне всякой связи с применяемыми
антеннами или измерительными приборами.
Нормализованное затухание площадки (NSA) измеряется как
для горизонтальной, так и для вертикальной поляризации.
Передающая антенна устанавливается на высоте 1 м (для
широкополосных антенн), высота установки приемной антенны изменяется в
определенных пределах. Для измерительных расстояний 3 и 10 м в
стандартах СИСПР установлены пределы изменения высоты
приемной антенны от 1 до 4 м. Цель изменения высоты приемной антенны
при измерении затухания площадки, так же как и при проведении
испытаний продукции, заключается в том, чтобы нулевые значения
принимаемого сигнала, вызванные воздействием на антенну в про-
тивофазе прямого и отраженного от земли лучей, были исключены
из процесса измерений. Заметим, что изменения высоты приемной
антенны как при измерении затухания площадки, так и при
проведении испытаний продукции на соответствие нормам эмиссии
излучаемых помех, не преследуют цели измерить или правильно
воспроизвести зависящие от высоты антенны изменения уровня
сигнала, излученного непосредственно от источника.
На рис. 3.13 показана установка для измерения
нормализованного затухания площадки. В соответствии с рисунком процедура
измерений заключается в том, чтобы зафиксировать значение сигнала,
когда кабели в точках [1] и [2] соединяются друг с другом, что дает
значение Vdirecl, и когда кабели подключены к антеннам и приемная
антенна сканирует по высоте, что дает значение Vsite. Значение
нормализованного затухания площадки NSA в децибелах определяется
выражением:
NSA = Vdirect - V8ile - А^. - AKR, (3.5)
где Арр, AKR — коэффициенты калибровки передающей и приемной
антенн.
ЭМС для разработчиков продукции
169
Публикация СИСПР 16-1 и связанные с ней стандарты
устанавливают следующее требование:
Испытательная площадка должна рассматриваться в качестве
приемлемой, если нормализованное затухание площадки, измерен-
[2]
I При испытаниях
\ высота изменяется
от 1 до 4 м для
| получения макси-
j мальмого сигнала
/ волна, отраженная
V, / от земли
выход следящего
генератора
Регистрируются принятые сигналы для случаев, когда кабели в точках [1] и [2]
соеденены вместе и когда они подключены к антеннам
Рис. 3.13 Установка для измерения нормализованного затухания площадки
ное при горизонтальной и вертикальной поляризации, находится в
пределах ± 4 дБ от теоретического значения нормализованного
затухания. Публикация СИСПР16-1 включает таблицу теоретических
значений нормализованного затухания площадки в зависимости от
частоты для различной поляризации и различных измерительных
расстояний (значения нормализованного затухания различны при
горизонтальной и вертикальной поляризации вследствие различий
коэффициентов отражения от земли). Это критерий, с
использованием которого проверяется любая реальная испытательная площадка.
В разделе 3.1.3.1 указывается, какие площадки могут
соответствовать этому критерию. Однако если этот критерий удовлетворяется,
то любая площадка может быть использована для проведения
испытаний на соответствие. С другой стороны, если испытательная
площадка не удовлетворяет критерию ± 4 дБ, она не может быть
применена для испытаний на соответствие, как бы хорошо она ни
была сконструирована. Отметим, что отклонения
нормализованного затухания площадки на частотах измерений от теоретических
величин не могут быть использованы в качестве «поправочного
коэффициента» для «улучшения» результатов измерений,
получаемых на конкретной испытательной площадке. Это требование об-
170 Измерение помехоэмиссии
уславливается тем, что измеренные значения нормализованного
затухания площадки соответствуют вполне определенному источнику
излучения и величина нормализованного затухания для реального
источника может быть совсем иной.
При выборе величины критерия ± 4 дБ учитывается то
обстоятельство, что в соответствии с Публикацией СИСПР 16-1
неопределенность измерений, обусловленная измерительными приборами
(связанные с коэффициентами калибровки антенн, генератором
сигналов, измерительным приемником, кабелями и т.д.)»
составляет три четвертых общей неопределенности и что неопределенность,
связанная с отклонением характеристик самой испытательной
площадки, рассматриваемой в отдельности от идеальных, может быть в
пределах ± 1 дБ. Это решающий фактор, учитываемый в методе
измерений нормализованного затухания площадки. Если вы можете
уменьшить, насколько это возможно, неопределенность измерений,
то вы существенно увеличите вероятность того, что площадка будет
признана приемлемой. С другой стороны, если используемый вами
метод измерений имеет большую неопределенность, чем указано
выше, то даже идеальная испытательная площадка не будет
удовлетворять критерию. Ясно, что большое внимание должно быть
уделено методу измерений нормализованного затухания площадки.
Важнейшими аспектами здесь являются:
• коэффициенты калибровки, которые должны соответствовать
применяемому методу измерений, связанному с отражениями
от земли;
• симметрия антенн и расположение кабелей, которые должны
обеспечить минимальное влияние антенных кабелей;
• ошибки, вызванные рассогласованием, для минимизации
которых необходимо использовать аттенюаторы на зажимах
каждой антенны.
3.1.3.2 Измерения излучаемых помех в экранированной
камере
Открытые испытательные площадки имеют два существенных
недостатка, во всяком случае в условиях Европы: внешние помехи
и атмосферные воздействия. Эти недостатки обсуждаются в разделе
3.1.5.5. Наличие указанных недостатков повышает интерес к
защищенным помещениям, в частности к безэховым камерам.
Применение альтернативных испытательных площадок,
отличающихся от открытых испытательных площадок, соответствующих
ЭМС для разработчиков продукции 171
требованиям СИСПР, допускается при условии, что ошибки,
связанные с их использованием, не приводят к неприемлемым результатам
измерений. Как вы можете ожидать, адекватность альтернативных
испытательных площадок также оценивается путем проведения
измерений нормализованного затухания площадки. Однако при этом
для альтернативных испытательных площадок существует
дополнительное требование, заключающееся в том, что нормализованное
затухание площадки должно быть проверено для объема,
занимаемого испытуемым оборудованием наибольших размеров. Это
требует проведения до 20 отдельных измерений нормализованного
затухания на частотах измерений при расположении приемной антенны
в пяти положениях в горизонтальной плоскости (в центре объема, а
также слева, справа, спереди и сзади) для двух высот установки
приемной антенны и для двух поляризаций электромагнитного поля.
Как и ранее, критерий приемлемости испытательной площадки
состоит в том, что ни в одном из этих измерений отклонение
результатов от теоретических не должно превышать ± 4 дБ.
Проблема, связанная с применением экранированных
помещений для измерений излучаемых помех, состоит в том, что
отражения от всех шести поверхностей будут существенно ухудшать
характеристики затухания площадки при передаче помех от
испытуемого оборудования к приемной антенне. Для любого пути
распространения радиоволн при незначительном изменении частоты будут
возникать провалы и пики напряженности поля, причем изменения
амплитуды могут легко превышать 30 дБ. Не менее важным
обстоятельством является и то, что для различных путей распространения
радиоволн картины провалов и пиков напряженности поля будут
различными, и небольшие изменения местоположения
излучающего объекта в камере будут приводить к изменению этой картины,
так что реальной возможности произвести коррекцию результатов
измерений не существует. Если вам придется производить анализ
излучаемых помех внутри экранированного помещения,
необходимо будет исходить из того, что вам удастся обнаружить частоты, на
которых происходит эмиссия помех, но нельзя будет сделать
никаких выводов относительно уровня этих помех.
Для того чтобы иметь возможность осуществлять в
экранированном помещении некоторые действия, приближающиеся к
измерениям, отражения от стен и потолка помещения должны быть
ослаблены. Это достигается путем покрытия этих поверхностей
радиопоглощающим материалом. Радиопоглощающие материалы
существуют в виде ферритовых плит, пирамид из пенопласта с
172
Измерение помехоэмиссии
включением углерода, а также в виде комбинации этих
материалов, так что с использованием этих материалов вполне возможно
сконструировать камеру, которая будет удовлетворять для
определенного рабочего объема требованиям к нормализованному
затуханию площадки ±4 дБ. Камеры такого рода построены и введены
в эксплуатацию в достаточном количестве, так что возможность
создания камеры, удовлетворяющей установленным требованиям,
подтверждается практическим опытом. Препятствием является то
обстоятельство, что радиопоглощающие материалы каждого вида
достаточно дороги и их использование приводит по меньшей мере
к удвоению стоимости построенной камеры. Сведения о
преимуществах и недостатках радиопоглощающих материалов трех видов
приведены в таблице 3.2.
Таблица 3.2 Сравнение радиопоглощающих материалов
Размеры
Вес
Крепление
Стойкость
Функциональные
характеристики
Ферритовые плиты
Незначительно уменьшают
объем камеры
Значительный вес,
требуется усиление конструкции
потолка
Серьезные требования, не
должно быть щелей, должна
быть обеспечена
безопасность
Высокая прочность,
материал
не огнеопасен
Хорошие на средних
частотах, низкие в начальной
и конечной части полосы
частот
Пирамиды из
пенопласта
Значительно
уменьшают объем
камеры
Усиления
конструкции не требуется
Особые
требования
отсутствуют
Концы пирамид
могут быть
повреждены, возможно
возгорание
Хорошие на
высоких частотах,
низкие на низких
частотах
Гибридный
материал
Некоторое уменьшение
объема камеры
Значительный вес,
требуется усиление
конструкции потолка
Серьезные требования,
не должно быть щелей,
должна быть обеспечена
безопасность
Возможны повреждения
и возгорания
Могут быть
оптимизированы для всей полосы
частот
Возможно частичное покрытие экранированной камеры
радиопоглощающим материалом, но это приводит к частичным
результатам. Тем не менее камеры с частичным покрытием могут
использоваться для проведения предварительных испытаний. На
рис. 3.14 приведены зависимости нормализованного затухания
площадки от частоты для экранированной камеры с частичным
покрытием радиопоглощающим материалом. Графики
показывают значительное несоответствие требуемому критерию (± 4 дБ), но
все же свидетельствуют о несколько лучших условиях измерений,
ЭМС для разработчиков продукции
173
чем в экранированной камере без покрытия радиопоглощающим
материалом.
150 200 250 900
частота, МГц
Рис. 3.14 Пример измерения нормализованного затухания в плохой безэховой
камере (вертикальная поляризация, высота установки приемной антенны 1м)
Возможность испытаний в полностью безэховых
помещениях
Выше были рассмотрены камеры, которые воспроизводят
характеристики открытых испытательных площадок, и в которых
используются отражающая пластина заземления и изменение высоты
установки приемной антенны. Такие камеры полностью заменяют
открытые испытательные площадки при проведении в них
испытаний применяются такие же методы и те же стандарты, что и при
использовании открытых испытательных площадок, и, естественно,
при этом не возникает вопрос о том, является ли применение
открытых испытательных площадок оптимальным методом измерения
излучаемых помех.
Фактически это не так. Открытые испытательные площадки
с пластиной заземления были первоначально предложены как
средство исключения неизбежного влияния земли в практических
испытательных установках в США, где трудности, связанные с
внешними помехами и атмосферными воздействиями, не столь
серьезны, как в Европе. Однако развитие в последние десять лет
радиопоглощающих материалов сделало практически возможным
и приемлемым по стоимости создание небольших полностью
безэховых помещений, т.е. помещений, в которых поглощающим
материалом покрыт также пол и в которых обеспечено, для определенного
174 Измерение помехоэмиссии
рабочего объема, соответствие критерию нормализованного
затухания площадки =ь 4 дБ. Обстановка в таких помещениях близка
к обстановке свободного пространства в той степени, в какой это
удается обеспечить. Наиболее важное преимущество полностью без-
эхового помещения состоит в том, что из-за отсутствия отражающей
пластины заземления нет необходимости изменять высоту
установки приемной антенны.
Это исключает основной источник неопределенности при
испытаниях и в целом позволяет ускорить измерения и сделать их более
точными.
В течение последних нескольких лет были проведены
значительные работы по подготовке стандарта, регламентирующего метод
испытаний в полностью безэховой камере и устанавливающего
критерий, которому указанные камеры должны удовлетворять.
Результатом указанных работ явился проект стандарта ргЕН 50147-3 [145],
который в период написания настоящей книги был еще в стадии
разработки. Метод испытаний с использованием полностью
безэховой камеры должен будет некоторое время сосуществовать со
стандартным методом испытаний, установленным СИСПР. Поэтому
основные вопросы, связанные с разработкой указанного стандарта,
заключались в том, чтобы обеспечить, насколько это возможно,
сравнимость результатов испытаний с результатами, получаемыми
с применением открытой испытательной площадки, и тщательно
подтвердить пригодность уточненных допустимых уровней помех
(уточнение допустимых уровней помех необходимо потому, что
исключается сигнал, отраженный от земли).
3.1.3.3 Эмиссия кондуктивных помех
В противоположность условиям измерений излучаемых
радиочастотных помех при измерениях кондуктивных помех
необходим минимальный состав дополнительного оборудования.
Единственным существенным требованием является необходимость
использовать пластину заземления размерами по меньшей мере
2 м X 2 м, которая должна выступать за границы испытуемого
оборудования не менее чем на 0,5 м. Желательно, но необязательно
осуществлять измерения в экранированном помещении, что позволит
снизить уровни внешних помех и использовать одну из стен или пол
этого помещения в качестве пластины заземления. Оборудование,
которое при использовании не устанавливается на полу, должно
быть при испытаниях размещено на опоре из непроводящего
материала на высоте 40 см над пластиной заземления.
ЭМС для разработчиков продукции 175
При проведении испытаний на соответствие нормам мощности
помех в кабелях с использованием поглощающих клещей в
соответствии с ЕН 55014 необходимо обеспечить перемещение клещей вдоль
кабеля, на расстоянии, равном по меньшей мере половине длины
волны, которая при частоте измерений 30 МГц составляет 5 м. Для
этого необходимо использовать пятиметровую «беговую дорожку»,
вдоль которой прокладывается кабель. Поглощающие клещи на
каждой частоте измерений «катаются» вдоль кабеля и при этом
максимальное показание фиксируется. Указания о том, должны ли
испытания такого рода проводиться в экранированном помещении или
нет, в стандартах отсутствуют. Очевидно, возможны существенные
различия результатов испытаний в экранированном помещении и
вне его, так как испытуемый кабель будет сильно связан со стенами
экранированного помещения и резонансы, вызванные отражениями
от стен, будут влиять на него таким же образом, как и при
измерениях излучаемых помех, хотя и в меньшей степени. Условия, близкие
к условиям свободного пространства, были бы более пригодны для
обеспечения воспроизводимости результатов испытаний, но в этом
случае сильное влияние будут оказывать внешние помехи.
3.1.3.4 Предсертификационные и диагностические
испытания
Полное соответствие требованиям Директивы ЭМС может быть
достигнуто при проведении испытаний и сертификации изделия
на соответствие требованиям гармонизированных стандартов ЭМС.
Однако измерительные приборы и испытательное оборудование,
необходимые для осуществления испытаний, весьма сложны, и
многие компании часто не имеют возможности получить их.
Альтернативным способом является передача изделия в испытательную
лабораторию, оснащенную для выполнения испытаний такого рода,
но это требует затраты времени и средств. Для более эффективного
использования времени желательно перед передачей изделия для
испытаний провести некоторые предварительные мероприятия, к
которым относятся заблаговременные ограниченные испытания.
Эти рассуждения привели к возникновению концепции «пред-
сертификационных» испытаний. К «предсертификационным»
относятся испытания, проводимые на образце серийно изготовляемого
изделия (или на изделии, достаточно подготовленном к стадии
серийного производства), с использованием испытательной установки
и/или испытательного оборудования, которые могут не
удовлетворять в полной мере требованиям стандартов.
176 Измерение помехоэмиссии
Указанные испытания проводятся в целях:
• исключить неприятные сюрпризы при окончательных
испытаниях на соответствие или предупредить об их возможности;
• определить с необходимой точностью наихудшую с точки
зрения обеспечения ЭМС конфигурацию для применения ее при
проведении окончательных испытаний, что позволит
сократить время испытаний;
• оценить возможность замены испытаний на соответствие пред-
сертификационными испытаниями, если результаты пред-
сертификационных испытаний свидетельствуют о наличии
значительного запаса помехоэмиссии (помехоустойчивости).
Диагностические испытания
Хотя у вас и не будет возможности выполнять в условиях
лаборатории предприятия-разработчика изделия точные измерения
уровней излучаемых радиочастотных помех, всегда можно установить
в одном из углов этой лаборатории небольшую испытательную
установку, с помощью которой осуществлять диагностические
испытания в области помехоэмиссии. Допустим, например, что в
результате измерений, которые проводились в испытательной лаборатории
ЭМС, выявлено, что уровень помех, создаваемых вашим изделием
на одной из определенных частот, превышает установленную норму
на 10 дБ. В своей лаборатории вы можете применить
корректирующие мероприятия, произвести оценку каждого из них, исходя из
снижения уровня помех, и выбрать такое корректирующее
мероприятие, при осуществлении которого уровень помех снижается на
15 дБ (5 дБ — запас), не обращая при этом внимания на проблемы,
относящиеся к точности измерений. Поскольку этот метод не может
считаться абсолютно ошибочным, его использование зачастую
является наилучшим выходом для компаний с ограниченными
ресурсами и испытательными возможностями.
Приведенный ниже перечень мероприятий необходим для
создания и применения минимальной испытательной установки,
обеспечивающей проведение диагностических работ такого рода:
• выделить свободную площадь пола размерами не менее 3 м X
5 м, позволяющую создать 3-метровую испытательную
площадку со свободными метровыми зонами вокруг антенны и
испытуемого оборудования;
• исключить применение поблизости от испытательной
площадки электронного оборудования, способного генерировать по-
ЭМС для разработчиков продукции 177
мехи значительного уровня (особенно компьютеров),
Вспомогательную аппаратуру, обеспечивающую функционирование
ИО, удалить из зоны испытаний;
• исключить применение поблизости передвижных
отражающих предметов. Если эти предметы невозможно удалить, их
положение должно быть точно зафиксировано для обеспечения
повторяемости результатов испытаний;
• расположить в одном конце испытательной площадки стол или
подставку из непроводящего материала для размещения
испытуемого оборудования. Установить на столе эквивалент сети,
подключенный к пластине заземления под ним;
• разместить средства испытаний, включая анализатор спектра,
ограничители, комплект антенн и антенную мачту;
• поддерживать горизонтальную поляризацию антенны,
прокладывать кабели, подходящие к ИО только горизонтально, и
подводить их к столу спереди испытуемого оборудования, так
как это уменьшает ошибки, обусловленные отражениями и
влиянием земли.
Если указанная испытательная установка создана, то не следует
изменять расположение ее элементов в периоды, когда испытания
определенного образца оборудования не проводятся. Поскольку
высота установки антенны постоянна, то нет необходимости в
применении под антенной пластины заземления и в покрытии пола
металлическим листом. Более того, отражения от пола следует уменьшить,
насколько это будет возможно. В результате вы получите
возможность осуществлять измерения с приемлемой воспроизводимостью
результатов, хотя точность результатов не может быть определена.
3.1.4 Методы испытаний
Главная часть каждого из основополагающих стандартов,
указанных в главе 2, определяет способ осуществления испытаний.
Так как измеряемые величины при радиочастотных измерениях
зависят, в значительной степени, от расположения оборудования
и используемого метода испытаний, то эти вопросы должны быть
детально регламентированы с тем, чтобы обеспечить получение
стандартных результатов. Указанные вопросы рассматриваются
в настоящем разделе, но для того, чтобы действительно провести
испытания, вам рекомендуется внимательно изучить
соответствующий стандарт.
178
Измерение помехоэмиссии
3.1.4.1 Расположение оборудования
При испытаниях на соответствие нормам эмиссии кондуктивных
радиочастотных помех принципиальным требованием является
размещение ИО и эквивалента сети относительно пластины
заземления, а также расположение сетевых кабелей и заземляющего
проводника (проводников). Размещение ИО влияет на паразитную
емкость связи между оборудованием и пластиной заземления,
которая представляет собой часть цепи общей несимметричной связи
и должна жестко контролироваться. На рис. 3.15 приведено
расположение оборудования при испытаниях на соответствие нормам
эмиссии кондуктивных помех.
0.8 м
вертикальная
плоскость
заземления
(стена
экранированного
помещения)
излишнюю часть сетевого
шнура укладывают в связку
минимальной индуктивности,
длинной менее 0,4 и
Пластина заземления с
минимальными размерами 2x2 м
к измерительному
приемнику
Рис. 3.15 Расположение оборудования при испытаниях на соответствие нормам
эмиссии кондуктивных помех
При испытаниях на соответствие нормам эмиссии излучаемых
радиочастотных помех в соответствии с ЕН 55022 требуется,
чтобы ИО было размещено таким образом, чтобы его граница была на
определенном расстоянии от измерительной антенны. «Граница»
определяется как «воображаемая линия, описывающая простую
геометрическую фигуру», которая окружает ИО. Испытуемое
оборудование, не устанавливаемое при его применении на полу, должно
быть размещено на высоте 0,8 м над пластиной заземления.
Испытуемое оборудование должно «поворачиваться на 360 градусов» для
того, чтобы определить направление максимального излучения. Это
обычно достигается путем размещения ИО на поворотной
платформе. Если оборудование слишком велико для того, чтобы
расположить его на поворотной платформе, антенна должна передвигаться
вокруг ИО, установленного в фиксированном положении. На рис.
3.16 приведено расположение оборудования при испытаниях на
соответствие нормам эмиссии излучаемых помех.
ЭМС для разработчиков продукции
179
измерительное расстояние L
Высота изменяется
от 1 до 4 м на каждой
частоте измерений
поворотный
стол -v. ч
к измерительному
приемнику
Рис.3.16 Расположение оборудования при испытаниях на соответствие нормам
эмиссии излучаемых помех
3.1.4.2 Конфигурация
По мере того как приближается срок проведения испытаний в
области ЭМС, инженерам испытательной лаборатории наиболее
часто задается вопрос «какую систему необходимо испытывать?».
В первом издании стандарта ЕН 55022 конфигурация испытуемого
оборудования не была установлена достаточно подробно (хотя этот
стандарт рассматривался, как основной стандарт в области помехо-
эмиссии). В действующем (третьем) издании БН 55022,
основывающемся на Публикации СИСПР 22: 1997, это положение исправлено.
В этом стандарте в основных деталях установлены как
расположение оборудования при испытаниях, так и состав ИО, особенно если
испытуемое оборудование представляет собой персональный
компьютер или периферийное устройство. Факторы, которые влияют
на характеристики помехоэмиссии от ИО, должны быть определены
в выбранном стандарте. Бели они не установлены в стандарте, то
должны по меньшей мере быть отражены в протоколе испытаний.
Эти факторы следующие:
• число и выбор портов для подключения вспомогательного
оборудования. Вы должны принять решение о «типичной
конфигурации». При наличии нескольких различных портов
каждый из них должен быть подключен к вспомогательному
оборудованию. При наличии значительного количества
идентичных портов для подключения идентичного
вспомогательного оборудования достаточно будет при проведении
испытаний подключить лишь один порт при условии, что вы можете
показать, что подключение любого количества других портов
не приводит к нарушению соответствия системы требованиям
ЭМС;
180 Измерение помехоэмиссии
• расположение отдельных элементов ИО в случае, когда
испытательное оборудование представляет собой систему.
Вы должны экспериментальным путем определить
расположение, при котором обеспечивается максимальный уровень
помехоэмиссии. При этом элементы настольных ИО должны
быть расположены в пределах испытательного стола, элементы
напольных ИО — в соответствии с условиями их типичного
использования;
• расположение, длины, и соединительные устройства всех
подключаемых кабелей. Излишнюю часть длины кабеля
укладывают в связку длиной 30 — 40 см в центральной части кабеля
(наматывание в виде катушки не допускается). Длины кабелей
и виды соединителей должны соответствовать обычным
условиям применения оборудования;
• вдвижные модули (при наличии). Как и в случае подключения
вспомогательного оборудования, при испытаниях должен быть
включен один модуль каждого типа для того, чтобы была
создана минимальная представительная система. Если вы
представляете на рынок систему (такую, как устройство запоминания
данных, представляющее собой корпус с устанавливаемыми в
нем модулями), которая может содержать значительное число
различных модулей, но не все одновременно, то вы можете
выделить несколько представительных систем и испытать все эти
системы;
• программное обеспечение и режимы функционирования
аппаратуры. Система должна быть испытана при
функционировании всех входящих в ее состав технических средств, т.е.
испытуемое оборудование должно быть включено и проверено
в типичных режимах ожидания, приема данных, загрузки,
передачи информации. Следует также определить данные,
которые должны быть отображены на визуальном дисплее и
последовательности символов, которые должны быть
распечатаны на принтере.
• использование имитаторов. Использование имитатора вместо
вспомогательного оборудования допускается в том случае, если
его влияние на уровень эмиссии помех от оборудования может
быть исключено или идентифицировано. Любой имитатор
должен иметь радиочастотные электрические характеристики
реального интерфейса;
ЭМС для разработчиков продукции 181
• метод заземления испытуемого оборудования. Метод
заземления должен соответствовать указанному в инструкции по
установке оборудования. Если ИО предназначено для применения
без заземления, оно должно быть испытано при этих условиях.
Если испытуемое оборудование заземляется через проводник
защитного заземления сетевого кабеля (зеленый и желтый),
этот проводник должен быть подключен к измерительной
пластине заземления с использованием вилки сетевого кабеля (при
измерениях кондуктивных помех это происходит
автоматически, когда ИО подключается к эквиваленту сети).
Во всех стандартах в области помехоэмиссии установлено
хитроумное требование, заключающееся в том, что при проведении
испытаний расположение, конфигурация и режимы функционирования
испытуемого оборудования должны изменяться таким образом,
чтобы максимизировать эмиссию помех. Это означает, что после
выявления частот, на которых обнаружено создание значительных
радиочастотных помех, должны быть проведены некоторые
исследовательские испытания, в ходе которых необходимо изменять
указанные выше параметры, а также другие параметры, от которых
может зависеть эмиссия помех, с тем, чтобы выявить сочетание
параметров, при которых эмиссия максимальна. Для испытуемого
оборудования, которое состоит из нескольких изделий или
представляет собой совокупность нескольких взаимодействующих
подсистем, проведение этой операции может потребовать значительного
времени. Тем не менее вы должны быть готовы обосновать в
протоколе испытаний использование выбранной вами конфигурации.
Оборудование информационных технологий
Требования к проведению испытаний оборудования
информационных технологий и периферийных устройств установлены
достаточно детально. Минимальная испытательная конфигурация для
любого персонального компьютера или периферийного устройства
должна включать: клавиатуру, внешний визуальный дисплей,
внешнее периферийное устройство для последовательного порта и
внешнее периферийное устройство для параллельного порта. Если
оборудование информационных технологий оснащено большим
числом интефейсов, то кабели следует подключать к каждому порту, за
исключением случаев, когда порты ИО идентичны и подключение
дополнительного идентичного кабеля не увеличивает результат
измерений более чем на 2 дБ. Вспомогательное оборудование, пред-
182 Измерение помехоэмиссии
назначенное для обеспечения функционирования ИО, должно быть
таким же, как и при его обычном использовании.
3.1.4.3 Методы испытаний
Процедура, которой необходимо следовать при реальных
испытаниях на соответствие после того, как определена конфигурация ИО,
обеспечивающая максимальный уровень помехоэмиссии, является
достаточно простой, хотя, возможно, длительной. При испытаниях
на соответствие нормам кондуктивных помех необходимо
последовательно изменять частоту от 150 кГц до 30 МГц при
фиксированной ширине полосы пропускания измерительного приемника 9 кГц,
вначале при использовании детектора квазипиковых значений,
а затем детектора средних значений. Если при использовании
детектора квазипиковых значений удовлетворяются нормы средних
значений, то в проведении измерений с использованием детектора
средних значений нет необходимости. При испытаниях на
соответствие нормам излучаемых помех необходимо изменять частоту от
30 МГц до 1000 МГц при ширине полосы пропускания 120 кГц и
при вертикальной и горизонтальной поляризации приемной
антенны. В соответствии с требованиями стандарта БН 55022 в протоколе
испытаний должны быть зарегистрированы уровни помех и частоты
измерений, по крайней мере для шести частот, на которых уровни
помех являются наибольшими.
Максимизация уровня помех
Однако наиболее важным является то обстоятельство, что на
каждой частоте значительного излучения помех (когда
измеренный уровень помех меньше нормы, например, не более чем на 10 дБ),
испытуемое оборудование должно поворачиваться для того, чтобы
определить направление максимального излучения, и высота
установки антенны должна изменяться от 1 до 4 м для того, чтобы
определить максимальный уровень помех. Если выявлено много частот
измерений, на которых уровни помех близки к норме, то для
проведения указанной операции требуется затратить весьма большое
время. Существует программное обеспечение, с помощью которого при
использовании измерительного приемника, автоматизированной
поворотной платформы и управляемой антенной мачты указанные
операции в полном объеме могут быть выполнены с управлением
от персонального компьютера. Это исключает один из источников
ошибок, относящийся к действиям оператора, и уменьшает время
испытаний, хотя и не очень значительно.
ЭМС для разработчиков продукции 183
Дальнейшие трудности возникают в том случае, когда рабочий
цикл испытуемого оборудования является прерывистым, например,
когда длительность максимальной эмиссии помех составляет лишь
несколько секунд, а затем необходимо определенное время ожидать
нового периода создания помех. Так как измерительные приборы с
детекторами квазипиковых или средних значений действуют
достаточно медленно (время ожидания на каждой частоте составляет
сотни миллисекунд), то перерывы в перестройке частоты, или во
вращении поворотной платформы, или в изменении высоты
приемной антенны, необходимые для синхронизации с рабочим циклом
ИО, увеличивают еще больше время испытаний. Если существует
возможность, например за счет применения специального
программного обеспечения, ускорить рабочий цикл ИО и сделать его
непрерывным, это может иметь, потенциально, большое значение
для уменьшения времени испытаний.
Быстрое предварительное сканирование
Способ, позволяющий преодолеть трудности, связанные со
значительным временем испытаний, заключается в использовании
характеристик детектора пиковых значений (разделы 3.1.1.4 и 3.1.1.6).
Поскольку измерительный приемник с детектором пиковых
значений почти мгновенно реагирует на сигнал, действующий в его
полосе пропускания (время ожидания на каждой частоте может быть
коротким и составлять в большинстве случаев несколько
миллисекунд), использование детектора пиковых значений в
исключительной степени ускоряет процесс просмотра полосы частот измерений.
Его недостатком является то обстоятельство, что использование
указанного детектора приводит к завышенным результатам
измерений при наличии импульсных и модулированных сигналов
(см. рис. 3.2). Однако этот недостаток может быть преодолен, если
предварительное сканирование производится квалифицированно
в сочетании с компьютерной обработкой данных. Предварительное
сканирование с использованием пикового детектора длится всего
несколько секунд, в результате чего все частоты, на которых
уровень помех превышает некоторое заранее установленное значение,
могут быть записаны в соответствующем файле. Измерения на
указанных частотах могут быть затем проведены индивидуально,
с использованием детекторов квазипиковых и средних значений и
при вращении поворотной платформы и изменении высоты
установки приемной антенны. Учитывая, что число указанных отдельных
частот не может быть слишком большим, общее время испытаний
184 Измерение помехоэмиссии
существенно уменьшается, так как нет необходимости применять
медленно действующие детекторы во всей полосе частот измерений.
Но вы должны быть весьма внимательными, если эмиссия помех
от испытуемого оборудования включает импульсные сигналы с
относительно малыми частотами повторения (помехи такого
характера могут создаваться некоторыми цифровыми устройствами). В
этом случае необходимо, чтобы время ожидания на каждой частоте
не было малым настолько, что детектор пиковых значений не
воспринимает существующих помех при просмотре этих частот. Время
ожидания должно быть установлено таким образом, чтобы оно было
не меньше, чем период следования импульсов, соответствующий
самой низкой известной частоте повторения импульсов в системе.
Желательно также провести более чем одно предварительное
сканирование при одновременном вращении поворотной платформы,
для того чтобы исключить пропуск потенциально существующей на
некоторой частоте помехи, например, из-за того, что ее появление
совпадет с минимумом диаграммы направленности испытуемого
оборудования.
Еще одно преимущество метода быстрого предварительного
сканирования реализуется, если указанное сканирование
осуществляется в экранированном помещении (что обычно и имеет место).
При этом исключается воздействие внешних помех и отсутствуют
трудности, которые связаны с ними. Обратной стороной является
более высокая погрешность измерений, что вынуждает применять
больший запас относительно норм.
3.1.5 Источники неопределенности
Измерения в области ЭМС по своей природе являются менее
точными, чем другие виды измерений. В то время как измерения
некоторых величин, например температуры или напряжения,
выполняются с точностью, которая может быть доведена до
нескольких миллионных долей, ошибки при измерении напряженности
электромагнитного поля могут достигать 10 дБ и больше. Поэтому
всегда желательно, чтобы между результатом ваших измерений
и установленной нормой существовал запас, величина которого
должна компенсировать не только неопределенность измерений,
но и отклонения, возникающие в процессе изготовления изделий.
Системой аккредитации Соединенного Королевства (UKAS) —
организацией, которая аккредитует испытательные лаборатории ЭМС
в Соединенном Королевстве, издано руководство по определению
неопределенности при измерениях [173]. В этом руководстве тре-
ЭМС для разработчиков продукции
185
буется, чтобы испытательные лаборатории представляли сведения
о неопределенности собственных измерений или по крайней мере
оценивали указанную неопределенность, хотя приемлемый уровень
неопределенности при измерениях в области ЭМС и не установлен.
В указанном документе, помимо других указаний, предлагается,
чтобы испытательные лаборатории, в том случае когда отсутствуют
иные специальные критерии, рекомендации или нормы
практического применения, относили результаты своих измерений, с учетом
их неопределенности, к одному их четырех вариантов, указанных в
таблице 3.3.
Таблица 3.3 Формы соответствия требованиям стандарта
Случай А
Изделие
соответствует
установленным нормам
Случай В
▲
_L
Результаты
измерений ниже
установленной нормы, причем
запас меньше, чем
величина
неопределенности измерений
Следовательно,
установить соответствие
при достоверности
90% невозможно
Однако результаты
измерений
свидетельствуют о высокой
вероятности того, что
испытуемое изделие
соответствует нормам
Случай С
А
Результаты
измерений выше
установленной нормы, причем
запас меньше, чем
величина
неопределенности измерений
Следовательно,
установить соответствие
при достоверности
90% невозможно
Однако результаты
измерений
свидетельствуют о высокой
вероятности того, что
испытуемое изделие
не соответствует
нормам
Случай D
▲
Верхний предел
Изделие не
соответствует
установленным
нормам
Случаи В и С, указанные в таблице 3.3, будучи понятными с
метрологической точки зрения, являются, очевидно, неудобными
для изготовителя, который заинтересован в том, чтобы сделать
относительно испытуемого изделия простой вывод: проходит или не
проходит. Тем не менее в проекте документа, распространенного
СИСПР, относящегося к оценке неопределенности измерений [154],
предусматривается, что при испытаниях на соответствие нормам
помехоэмиссии неопределенность измерений должна приниматься
в расчет. Но для этого необходимо установить величины полной не-
186
Измерение помехоэмиссии
определенности UcHcn для каждого из основных испытаний на
помехоустойчивость (таблица 3.4).
Таблица 3.4 Неопределенности измерений, установленные СИСПР(в соответствии
сСИСПР/А/256/CD)
Измерения
Кондуктивные радиочастотные помехи, сетевые зажимы, 9 - 150 кГц
Кондуктивные радиочастотные помехи, сетевые зажимы, 150 кГц - 30 МГц
Мощность радиочастотных помех, 30 - 300 МГц
Излучаемые радиочастотные помехи, 30 - 300 МГц
сиспр
4,0 дБ
3,6 дБ
4,5 дБ
5,1 ДБ
Если испытательная лаборатория заявляет, что
неопределенность некоторых измерений меньше или равна величине, указанной
в таблице 3.4, то прямое сравнение результата измерений с нормой
является приемлемым (случаи А и D) и при этом эффективная
неопределенность измерений будет равна нулю. Если же
неопределенность измерений превышает указанную величину, то результат
измерений уровня помех перед его сравнением с нормой должен
быть увеличен таким образом, чтобы предусмотреть определенный
запас. Это требование увеличить результат измерений является
эффективной мерой воздействия на изготовителя, который использует
испытательные лаборатории, обладающие повышенной
неопределенностью измерений.
Ниже в настоящем разделе рассматриваются причины
возникновения ошибок при измерениях (рис. 3.17).
отражения и
несовершенство
испытательной калибровка
площади антенны
рассогласование
в кабелях
калибровка
измерительного прибора
Рис. 3.17 Источники ошибок при испытаниях на соответствие нормам эмиссии
излучаемых помех
ЭМС для разработчиков продукции 187
3.1.5.1 Ошибки измерений, обусловленные измерительными
приборами и кабелями
Современные средства испытаний с внутренней калибровкой
могут поддерживать неопределенность измерений (на входе прибора) в
пределах ± 1 дБ. Для полной оценки ошибок измерительного
приемника должны быть учтены его импульсный отклик, изменение
показаний в зависимости от частоты повторения импульсов, точность
измерения синусоидального напряжения, шумовой порог
чувствительности и точность схемы информации о результатах измерений.
Ослабление сигнала на входе, амплитудно-частотная
характеристика измерительного приемника, его ширина полосы пропускания,
а также стандартизованные параметры детекторов изменяются со
временем и в зависимости от температуры, что может привести к
суммарной ошибке на входе до 5 дБ даже для высококачественного
приемника. Для исключения этих ошибок вводится функция
калибровки. Если такая возможность существует, то абсолютная
погрешность, а также ошибки за счет коммутации и нелинейности
измеряются с использованием встроенного калибровочного генератора,
после чего рассчитывается поправочный коэффициент, с учетом
которого затем корректируются измеряемые и индицируемые
величины. Единственное, что должен сделать оператор, — это
определить, когда выполнить калибровку. Обычно процедуру калибровки
следует проводить перед каждым измерением. Не следует проводить
операцию калибровки, если температурный режим измерительного
прибора не установился, для чего в типичных условиях требуется
от 30 минут до одного часа. В противном случае будет проведена
калибровки «движущейся цели». Хороший обычай заключается в том,
чтобы сразу после прихода на работу включить измерительный
прибор и провести его калибровку перед использованием.
Вносимое затухание кабеля, подключенного к входу
измерительного приемника, может зависеть от частоты, но для
высококачественных кабелей является постоянным и малым.
Неопределенность, обусловленная этим источником, должна учитываться, но,
как правило, в сравнении с уровнями неопределенности в результате
влияния других факторов не является значительной. Соединители
могут вызывать неожиданные потери, зависящие от частоты;
особенно опасны в этом отношении обычные байонетные разъемы.
Поэтому измерения, для которых точность имеет критическое значение,
следует проводить с кабелями, оборудованными разъемами типа N
при условии, что соединения осуществляются с определенным
усилием и используются только подобранные пары соединителей.
188 Измерение помехоэмиссии
Ошибки за счет рассогласования
Если кабель с номинальным сопротивлением 50 Ом используется
для взаимного соединения двух устройств, полное сопротивление
которых не является активным и не равно 50 Ом, то такое
соединение называется несогласованным. Если нагрузки не согласованы,
то происходят отражения сигналов и в кабеле возникают стоячие
волны. Уровень сигнала как на входе приемника, так и на выходе
антенны уменьшается в зависимости от степени рассогласования,
которая меняется при изменении частоты и определяется
коэффициентом стоячей волны по напряжению (КСВН). В приложении С
(раздел С. 2) приведены детализированные сведения о КСВН. Если
выход источника сигналов хорошо согласован с кабелем, ошибки
отсутствуют, в противном случае возникают ошибки рассогласования,
определяемые выражением:
Ошибка = 20 lg (l±rL> Г3), (3.5)
где FL и Fs — коэффициенты отражения источника сигналов и
нагрузки.
В качестве примера можно отметить, что при значении КСВН на
входе кабеля 1,5 : 1 и КСВН антенны 4:1, ошибки за счет
рассогласования будут составлять ± 1 дБ. Биконическая антенна, в
частности, может иметь значение КСВН, превышающее 15 : 1 на крайнем
низкочастотном участке ее рабочей полосы частот. При проведении
большинства измерений ошибка за счет рассогласования
маскируется ошибками от других источников. Однако, если необходима
повышенная точность измерений, ошибки за счет рассогласования
необходимо минимизировать путем включения аттенюаторов с
затуханием от 6 до 10 дБ последовательно к каждому из концов кабеля,
если имеется запас чувствительности измерительного приемника.
3.1.5.2 Ошибки при измерении кондуктивных помех
При проведении испытаний на соответствие нормам
кондуктивных радиочастотных помех на сетевых зажимах используется,
как указано в разделе 3.1.2.3, эквивалент сети. Неопределенности,
возникающие при этом виде испытаний, связаны с качеством
соединения эквивалента сети с пластиной заземления, изменениями
расположения испытуемого оборудования относительно окружающих
предметов и погрешности установки эквивалента сети. Хотя
эквивалент сети имеет вносимое затухание, теоретически близкое к 0 дБ
ЭМС для разработчиков продукции 189
во всей полосе частот измерений, это на практике не означает, что
вам следует ограничиваться коэффициентом затухания, взятым из
сертификата калибровки эквивалента сети. Во многих
конструкциях эквивалента сети вносимое затухание на крайних частотах
полосы частот измерений достигает нескольких дБ. Следует учитывать
также ошибки за счет рассогласования и за счет несоответствия
полного сопротивления эквивалента сети установленным требованиям.
3.1.5.3 Калибровка антенн
Один из методов калибровки антенны основан на ее сравнении
на открытой испытательной площадке со стандартной антенной, в
качестве которой, как правило, используется настраиваемый
полуволновой симметричный вибратор [25]. При этом значения
коэффициента калибровки антенны, являющиеся результатами
процесса калибровки, определяются с некоторой неопределенностью.
Указанная неопределенность обусловлена несовершенством как
испытательной площадки, так и эталонной стандартной антенны, и ее
величина в настоящее время может быть в пределах ±0,5 дБ.
При использовании альтернативного метода калибровки,
известного как метод стандартной площадки [117], используются три
антенны, что позволяет исключить ошибки, обусловленные
несовершенством антенны. Однако результаты калибровки все еще зависят
от качества испытательной площадки.
Кроме того, на процесс калибровки могут оказывать влияние
физические условия проведения каждого измерения, связанные,
прежде всего, с воздействием расположенных поблизости
проводников, таких как антенные кабели. Влияние этих факторов
сказывается в наибольшей степени в низкочастотной части полосы
частот биконической антенны и усиливается для антенн с
недостаточной симметрией. Если антенна установлена вертикально и
достаточно близко к плоскости заземления, то любая несимметрия
антенны ухудшает согласование с кабелем и искажает ее
частотную характеристику. Аналогично близость к пластине заземления
горизонтально установленной антенны может оказывать влияние
на полное выходное сопротивление антенны и, следовательно, на
коэффициент калибровки. Изменение высоты установки антенны
над пластиной заземления может привести к неопределенности
коэффициента калибровки, зависящей от частоты, достигающей 2 дБ
[89]. Эти проблемы имеют меньшее значение при использовании ло-
гопериодической антенны в ОВЧ-диапазоне частот, так как при этом
близлежащие предметы обычно располагаются вне зоны ближнего
190 Измерение помехоэмиссии
поля антенны и не влияют на ее работу. Кроме того, направленность
логопериодической антенны приводит к уменьшению амплитуд
сигналов, направления прихода которых не совпадают с осью
антенны. С другой стороны, уменьшение длины волны приводит к
тому, что влияние неоднородностей небольшого размера, таких как
неровности поверхности почвы, существенно увеличивается. Кроме
того, положение фазового центра (активной части) антенны
изменяется в зависимости от частоты, что обуславливает возникновение
ошибок из-за вариаций измерительного расстояния.
Дополнительные ошибки возникают также в результате того, что при крайних
значениях высоты установки антенны направление на испытуемое
оборудование не совпадает с осью диаграммы направленности
антенны. Влияние указанных двух факторов более значительно при
измерительном расстоянии 3 м. В целом величина ± 4 дБ для
общей неопределенности измерений, связанной с антенной, является
вполне возможной, хотя и может быть уменьшена при тщательной
организации измерений.
Трудности, связанные с установлением универсального метода
калибровки антенн, используемых при проведении испытаний на
помехоэмиссию, приемлемого в различных случаях, привели к
созданию в составе СИСПР/А рабочей группы, имеющей цель
разработать такой метод. Предлагается в качестве стандартного
применять коэффициент калибровки антенны свободного пространства
и установить при калибровке использование метода трех антенн на
калибровочной испытательной площадке, прошедшей
подтверждение пригодности. Подробности, касающиеся этого предложения,
приведены в [69].
3.1.5.4 Отражения и несовершенство площадки
Антенна воспринимает не только прямой сигнал, поступающий
от ИО, но также все сигналы, отраженные проводящими
предметами, такими как пластина заземления и антенный кабель. Векторы
электромагнитных полей, создаваемых каждым из этих
отражающих предметов, суммируются в антенне. В результате может
произойти как значительное увеличение сигнала, достигающее 4- б дБ,
так и существенное ослабление, превышающее — 20 дБ. Именно по
этой причине осуществляется изменение высоты установки
антенны, о котором упоминалось в разделе 3.1.4.3. Другими словами,
избежать отражения сигналов от пластины заземления невозможно,
но взаимное ослабление принятых сигналов может быть исключено,
если изменять относительные длины путей распространения прямо-
ЭМС для разработчиков продукции 191
го и отраженного сигналов. Существуют также отражения сигналов
от предметов, расположенных вне эллипса, установленного СИСПР.
Уровень отражений от этих предметов, учитывая их удаленность и
заведомо низкую отражательную способность, невелик (менее 1 дБ в
типичных случаях).
Однако отражения такого рода могут стать значительными, если
указанные предметы являются движущимися, например
представляют собой людей или автомобили, или если их отражающая
способность изменяется, что, например, имеет место для деревьев
или зданий после дождя. Отражения от внешних предметов более
значительны при вертикальной поляризации, так как сигналы,
отраженные от большинства предметов, являются преимущественно
вертикально поляризованными.
Антенный кабель
Если антенна является недостаточно симметричной, антенный
кабель является первичным источником ошибок [88, 89]. По своей
природе антенный кабель является отражателем с изменяющейся
и относительно неконтролируемой геометрией, расположенным
вблизи антенны. Существует также проблема вторичного
воздействия возникающего общего несимметричного тока, протекающего
по внешней оболочке кабеля. Влияние указанных двух факторов
более значительно при вертикальной поляризации, так как
антенный кабель неизбежно должен будет опускаться позади антенны в
вертикальной плоскости. Уменьшение влияния этих двух факторов
может быть обеспечено использованием ферритовых трубок,
надетых на кабель по всей его длине, или применением радиочастотного
кабеля с ферритовым наполнением (раздел 8.1.6.3). Если такого
рода мероприятия выполнены, то ошибка измерений за счет
влияния антенного кабеля при вертикальной поляризации может не
превышать 5 дБ. Однако современные антенны с хорошей симметрией,
обеспечиваемой за счет соответствующей конструкции
симметрирующего устройства, сводят эту проблему к минимуму.
3.1.5.5 Человеческий фактор и влияние окружающей среды
Инженер — испытатель
Из раздела 3.1.4 с очевидностью следует, что при выполнении
комплекта испытаний на помехоэмиссию существует много
способов размещения даже простого испытуемого оборудования.
Аналогично этому измерительное оборудование может функционировать
различным образом, и результаты испытаний могут быть интерпре-
192 Измерение помехоэмиссии
тированы по-разному, даже в том случае, когда испытания были
выполнены в соответствии с тщательно разработанным стандартом
(хотя не все стандарты тщательно разработаны). Более того,
измеряемые величины, независимо от того, являются ли они
радиочастотным напряжением или напряженностью электромагнитного
поля, представляют собой нестабильные процессы, состоящие из
совокупности сигналов, хаотично изменяющихся по амплитуде и
во времени. Хотя для автоматизации многих сторон процесса
измерений может быть разработано программное обеспечение, все же
основное значение имеют опыт и способности человека, проводящего
испытания.
Опубликована работа [113], в которой оценивалась
неопределенность, связанная с действиями инженера, выполняющего
измерения излучаемых радиочастотных помех. Каждому из четырех!
инженеров было поручено оценить уровень помех от настольного
компьютера, состоящего из процессора, визуального дисплея и кла-
виатуры. Состав испытуемого оборудования оставался постоянным,
в то время как его расположение при испытаниях определялосв
каждым инженером самостоятельно. Разброс результатов измере:
ний на различных частотах и при вертикальной и горизонтальной
поляризации составлял от 2 до 15 дБ, что вызывало сомнение в при
годности этих результатов. Основными аспектами, связанными <
разбросом результатов, как было определено, явились расположение
ИО и кабелей и различия в процедурах изменения частоты, ориента,
ции ИО и высоты установки антенны.
Затем испытания были повторены применительно к тем ж<
ИО, испытательной площадке и средствам испытаний, но при уста|
новленном заранее расположении ИО и при фиксированной высот»
установки антенны. Разброс результатов измерений уменьшила
и составлял от 2 до 9 дБ, т.е. все еще был неприемлемо большим
Проведенный анализ показал, что указанный разброс результато'
измерений связан с тем обстоятельством, что максимальные уровн;
помех были обнаружены при различных ориентациях ИО, а такж
с имеющимися различиями в процедурах изменения частоты
ориентации ИО. На результаты измерений может оказать влияни
также выбор времени измерений (раздел 3.1.1.6), так как этот пар?
метр влияет на порядок перестройки измерительного приемника
изменения ориентации ИО.
ЭМС для разработчиков продукции 193
Внешние помехи
Главным источником неопределенности, обусловленной
влиянием окружающей среды при измерениях в области ЭМС, связанных
с помехоэмиссией, являются внешние сигналы. Они представляют
собой сигналы от различных радиопередатчиков или источников
непреднамеренных помех, таких как промышленное оборудование,
которое маскирует помехи, создаваемые ИО. Избежать воздействия
внешних сигналов на открытой испытательной площадке
невозможно, если только площадка не размещена на большом удалении
от таких источников. В странах с высокой плотностью населения,
к которым относится Соединенное Королевство, об этом нечего и
думать. Площадки типа «зеленого луга», удаленные от
промышленных районов, даже если не рассматривать проблемы подъезда к
ним, почти неизбежно подпадают под ограничения, которые не
разрешают использование таких площадок, если они и найдены, для
промышленных целей.
Другая сложная ситуация возникает в связи с сигналами
радиовещательных станций. Весьма важно иметь возможность измерять
помехоэмиссию от испытуемого оборудования в полосах частот
диапазона ФМ II и диапазонов ТВ IV и ТВ V, так как в указанных
полосах частот работают именно те радиослужбы, для защиты
которых от помех приняты стандарты помехоэмиссии. Однако идея
фикс административных органов, ответственных за регулирование
в области радиовещания и телевидения, заключается в том, чтобы
обеспечить такую напряженность поля сигналов, которая
обеспечит уверенный радиоприем на всей территории страны. Би-би-си
публикует требования к минимальной напряженности поля в
каждом вещательном диапазоне, которая считается достаточной для
радиоприема на всей территории страны [1], которые в обобщенном
виде приведены в таблице 3.5. Естественно, что в каждом случае эти
значения напряженности поля существенно выше, чем нормы
помех, которым различные изделия должны соответствовать. Таким
образом, если фактически обеспечить покрытие всей территории
страны сигналами радиовещания и телевидения, то ни в одном
месте не будет возможным проведение на открытой испытательной
площадке измерений помехоэмиссии от испытуемого оборудования
на занятых частотах вещательных диапазонов, потому что
создаваемые помехи будут маскироваться сигналами радиовещательных и
телевизионных передатчиков.
194 Измерение помехоэмиссии
Таблица 3.5 Минимальная напряженность поля сигналов радиовещания и
телевидения в Соединенном Королевстве
Радиослужба
Длинные волны
Средние волны
ОВЧ / диапазон ФМ II
ТВ диапазон IV
ТВ диапазон V
Источник [1]
Полоса частот
148,5-283,5 кГц
526,5 - 1606 кГц
87,5 - 108 мГц
471,25 -581,25 МГц
615,25-853,25 МГц
Минимальная допустимая
напряженность поля
5 мВ/м
2мВ/м
54дБ(мкВ/м)
64 дБ(мк/м)
70дБ(мкВ/м)
Единственный путь решения проблемы внешних
радиочастотных помех заключается в том, чтобы осуществлять измерения в
экранированной камере. Такие камеры вполне пригодны для
проведения измерений кондуктивных помех, но при измерениях
излучаемых помех возникают значительные ошибки, обусловленные
отражениями от стен, что обсуждалось выше. Указанные ошибки
могут быть уменьшены при использовании безэховых камер,
причем требования к безэховым камерам установлены в стандартах,
как указано в разделе 3.1.3.3. Однако затраты при создании
соответствующим образом сконструированной безэховой камеры
оказываются запредельными для большинства компаний. Метод пред-
сертификационных испытаний, осуществляемый в помещении, не
являющемся безэховым, рассмотренный в разделе 3.1.4.3,
указывает определенный путь к решению этой проблемы, но не позволяет
преодолеть основную трудность, связанную с тем, что сигнал,
скрытый внешними помехами, не может быть точно измерен на открытой
испытательной площадке.
Стандарты в области помехоэмиссии, такие как ЕН 55022,
признают наличие проблемы внешних помех, но в основном требуют,
чтобы при измерениях на открытой испытательной площадке
уровень внешних помех не превышал норм помехоэмиссии. Если
помехи все же существуют, стандарты допускают проведение
измерений при уменьшенном измерительном расстоянии, при этом
значение норм увеличивается пропорционально отношению
установленного измерительного расстояния к расстоянию, при котором
проводились измерения. Указанный метод на практике может быть,
применен, как правило, в районах с низким уровнем внешних
помех, напряженность поля которых лишь на несколько дБ выше
норм помехоэмиссии. Некоторое снижение уровня внешних помех
может быть получено, если ориентировать испытательную
площадку таким образом, чтобы дистанция измерений была расположена
ЭМС для разработчиков продукции
под прямым углом к направлению на местные радиопередающие
станции. При этом используются преимущества, обеспечиваемые
узкой диаграммой направленности антенны» по крайней мере в
горизонтальной плоскости.
Если вы проводите диагностические испытания, то проблема
постоянно действующих внешних сигналов имеет менее существенное
значение, потому что даже в том случае, когда внешние сигналы
маскируют некоторые из создаваемых помех, вы будете знать, где
они находятся, и можете идентифицировать их на спектральном
дисплее. Существует программное обеспечение, которое
автоматически выполняет эту задачу при проведении анализа. Однако даже
при этих условиях наличие «леса» сигналов на экране
спектрального дисплея может усложнять испытания и приводить к путанице.
Негативное воздействие внешних сигналов переходного характера,
создаваемых, например, портативными радиостанциями и
случайными широкополосными источниками, оказывается при
испытаниях большим, потому что указанные сигналы труднее однозначно
отделить от помех, создаваемых испытуемым оборудованием. В ряде
случаев вам придется провести более чем один просмотр полосы
частот для того, чтобы исключить из процесса анализа все внешние
сигналы.
Отделение внешних сигналов при изменениях ширины
полосы пропускания и вида детектора
В проекте изменения к стандарту СИСПР 16-2 [155]
предлагается рассматривать проблему внешних сигналов с другой точки
зрения. В этом документе проводится различие между узкополосной
и широкополосной помехой, создаваемой ИО, и присутствующими
широкополосными и узкополосными внешними шумами. Если и
внешние шумы, и создаваемая помеха являются узкополосными,
то рекомендуется проводить измерения при узкой ширине полосы
пропускания измерительного приемника с использованием
детектора пиковых значений (рис. 3.18). Ширина полосы пропускания
измерительного приемника не должна быть при этом настолько
малой, чтобы при этом был подавлен спектр модуляционных частот
создаваемой помехи. Если помеха, создаваемая ИО, является
широкополосной, а внешние шумы узкополосными, то измерения не
могут быть непосредственно выполнены на тех частотах, где внешние
шумы маскируют создаваемую помеху, но могут быть выполнены с
каждой из сторон спектра внешних шумов, после чего ожидаемый
уровень помехи может быть получен путем интерполяции.
196
Измерение помехоэмиссии
измерения при уменьшенной
ширине полосы пропускания
внешняя помеха
ширина полосы _
пропускания 120 кГц
эмиссия узкополосной помехи от ИО
узкополосная внешняя помеха
:ополоснои внешней помехи
1еньшено при использовании
|дних значений и уменьшении
пропускания измерительного
эмиссия узкололоснои
помехи от ИО
широкополосная внешняя
помеха
Рис. 3.18 Изменение ширины полосы пропускания измерительного прибора в
условиях внешних помех
Если внешние шумы являются широкополосными, их отделение
путем изменения ширины полосы пропускания измерительного
приемника невозможно, но узкополосная помеха, создаваемая ИО,
может быть отделена с использованием детектора средних значений
при уменьшенной ширине полосы пропускания, что будет
максимизировать отношение уровня помехи, создаваемой ИО к уровню
внешних шумов. Детектор средних значений позволяет уменьшить
уровень широкополосных внешних шумов, не оказывая влияния на
узкополосную помеху, создаваемую ИО, если указанная помеха не
имеет значительной амплитудной или импульсной модуляции. В
противном случае возникнут определенные ошибки.
Широкополосная помеха, создаваемая ИО, не может быть
непосредственно измерена в присутствии внешних широкополосных
шумов, хотя в случае, когда их уровни являются близкими (скажем,
в пределах 10 дБ), возможно оценить уровень помехи с
использованием пикового детектора, анализируя степень повышения уровня
внешних шумов.
Погода
Другим фактором окружающей среды, оказывающим влияние
на проведение испытаний на помехоэмиссию с использованием
открытых испытательных площадок, особенно в условиях климата
стран Северной Европы, является погода. Для того чтобы
продолжать испытания в условиях плохой погоды, необходимо применять
ЭМС для разработчиков продукции 197
*ля укрытия ИО определенные конструкции, защищающие от ат-
лосферных осадков, но прозрачные для радиочастотных излучений.
Эти конструкции могут защищать только ИО (при минимальной
;тоимости) или всю испытательную площадку. Наиболее удобными
материалами для выполнения этих задач являются стекловолок-
шстые материалы или пластмассы. Дерево не относится к пред-
ючтительным материалам, поскольку коэффициент отражения
шределенных сортов древесины является удивительно высоким
89]. Вам, возможно, следует принимать в расчет увеличенную от-
>ажательную способность влажных поверхностей во время и после
$ыпадения осадков.
5.2 Эмиссия гармонических составляющих
потребляемого тока и фликера
Гармонические составляющие тока, потребляемого образцом обо-
>удования из сети электропитания переменного тока, возникают
ю-за нелинейности нагрузки в течение периода изменения входного
гапряжения. Директива ЭМС включает требования к измерению
•армонических составляющих потребляемого тока, установленные
i стандарте МЭК 61000-3-2 (ЕН 61000-3-2), который распространяет-
я на все электрические и электронные устройства с потребляемым
оком, не превышающим 16 ампер (в одной фазе), и заменяет ранее
действовавший стандарт МЭК 555-2. Возникновение гармонических
юставляющих потребляемого тока и методы управления уровнем
^армонических составляющих обсуждаются ниже в разделе 5.4.
Полоса частот, в которой рассматриваются гармонические
составляющие тока, не превышает 2 кГц (ограничена гармонической
юставляющей 40-го порядка частоты 50 Гц), и, следовательно,
ia первый взгляд измерения в этой полосе частот не нуждаются
i применении методов радиочастотных измерений. Тем не менее
зуществуют некоторые аспекты, не вполне обычные для указанных
измерений, которые следует рассмотреть отдельно. Следует иметь
в виду, что стандарт, устанавливающий нормы гармонических
составляющих потребляемого тока, был в конце 90-х годов подвергнут
крайне жесткой критике с разных сторон. Применительно к
указанному стандарту имеются три главные заинтересованные стороны:
администрации энергоснабжающих организаций, которые проявляют
живой интерес к защите своих электрических распределительных
сетей от помех; изготовители продукции, которые в равной степени
живо интересуются тем, как избежать излишних затрат в результате
ограничения гармонических токов при подключении к питающим
198
Измерение помехоэмиссии
сетям, и испытательные лаборатории в области ЭМС, которые живо
заинтересованы в том, чтобы иметь стандарт, обеспечивающий им
возможность осуществлять точные, полные и воспроизводимые
испытания. Непоследовательности и пробелы, которые существовали
в первом издании стандарта, предоставили каждой из этих сторон
достаточные возможности для, мягко выражаясь, воинственных
дискуссий. Позже несколькими рабочими группами были
выработаны пути разрешения спорных вопросов, и во время написания этой
книги испытания, необходимые при направлении оборудования на
рынок государств — членов ЕС, могли осуществляться либо в
соответствии с требованиями первоначального документа 1995 г., либо
в соответствии с требованиями этого документа и Изменения А14,
представляющего собой «общеевропейскую модификацию»,
введенную СЕНЕЛЕК. Указанная «общеевропейская модификация» имеет
радикальный характер и обсуждается в последующих разделах.
3.2.1 Оборудование
Первоначальный стандарт МЭК 61000-3-2 устанавливает метод
измерений и требования к каждому элементу оборудования для
испытаний. На рис. 3.19 приведена схема измерений, которая
содержит следующие элементы:
• источник электропитания переменного тока;
• преобразователь тока;
• анализатор формы сигналов.
источник
электропитания
(л/J
средство
измерений
1 1_ 1
ZM
In
L
N
ИО
1П - n-ая гармоническая составляющая
потребляемого тока
Рис. 3.19 Схема измерений гармонических составляющих потребляемого тока
3.2.1.1 Источник электропитания переменного тока
Для того чтобы выполнить измерения гармонических составля
ющих потребляемого тока с требуемой точностью, вам необходимо
иметь источник электропитания с крайне малыми искажениями
МС для разработчиков продукции 199
ысокой стабильностью напряжения и со стабильным и малым
полым выходным сопротивлением. Общественные распределительные
лектрические сети в основном не могут отвечать этим требованиям.
» соответствии со стандартом МЭК 61000-3-2 требуется, чтобы вы-
одное напряжение в течение времени измерений было постоянным,
отклонениями, не превышающими 2% от установленного уровня,
чтобы частота была в пределах 0,5% от номинального значения,
'армонические составляющие выходного напряжения должны
ыть меньше: 0,9% для составляющих третьего порядка; 0,4% для
оставляющих пятого порядка; 0,3% для составляющих седьмо-
о порядка; 0,2% для составляющих девятого порядка; 0,1% для
стальных гармонических составляющих. Полное сопротивление
змерительного прибора ZM должно создавать падение напряжения
юнее 0,15 В (пиковое значение). Выходное полное сопротивление
сточника электропитания не устанавливается, но общая погреш-
ость схемы измерений на частоте любой гармонической
составляющей тока не должна превышать 5% от установленной нормы.
Для того чтобы удовлетворять указанным требованиям, типич-
ый источник электропитания включает усилитель мощности, на
ход которого подается напряжение от генератора синусоидальных
игналов частотой 50 Гц. Усилитель мощности охвачен отрицатель-
ой обратной связью для обеспечения низкого выходного полного
опротивления. К выходу усилителя мощности может быть подклю-
[ен силовой трансформатор, обеспечивающий шаговое регулирова-
гие напряжения, но индуктивность трансформатора может затруд-
гать получение необходимого выходного полного сопротивления на
тстотах высших гармонических составляющих. По этим же сооб-
>ажениям не рекомендуется применение автотрансформатора. Для
-ого чтобы соответствовать полному диапазону нагрузок, мощность
усилителя должна быть значительной. Стандарт распространяется
т оборудование с потребляемым током не более 16 А, чему
соответствует уровень мощности 3680 Вт при напряжении 230 В. При
самостоятельном проведении испытаний в компании необходимо
учитывать пределы мощности изготовляемой продукции,
вследствие чего может быть достаточна меньшая мощность усилителя.
При высокой выходной мощности и при сильно искажающих
нагрузках конструкция источника электропитания переменного тока
становится весьма трудной для реализации. Учитывая максимально
допустимые уровни гармонических составляющих тока переходного
характера для оборудования класса В, разумно выбранное значение
пикового тока может составлять около 40 А. Вместе с тем при ис-
200 Измерение помехоэмиссии
пытаниях оборудования некоторых видов это значение может быть
существенно превышено, причем источник электропитания должен
быть в состоянии отдавать указанную мощность без искажений.
Если измеряемые гармоники существенно выше или существенно
ниже установленных норм, то искажения напряжения имеют
меньшее значение, но их важность возрастает в граничных случаях.
3.2.1.2 Преобразователь тока
Преобразователь тока связывает гармонические составляющие
тока 1п с измерительным прибором и может представлять собой
либо токовый шунт, либо токовый трансформатор. В обоих случаях
полное сопротивление преобразователя тока ZM прибавляется к
выходному полному сопротивлению источника электропитания и их
суммарное сопротивление должно вносить пренебрежимо малые
изменения в структуру гармонических составляющих тока.
Допустимо применение шунта сопротивлением менее 0,1 Ом при
постоянной времени менее 1 мкс, но при этом не обеспечивается изоляция
измерительного прибора от электрической цепи. Трансформатор
тока обеспечивает указанную изоляцию, но нуждается в
калибровке на каждой частоте гармонической составляющей. Кроме того,
возможны ошибки из-за насыщения трансформатора при
измерениях тока, содержащего постоянную составляющую.
3.2.1.3 Анализатор формы сигналов
Анализатор формы сигналов должен измерять амплитуды
каждой гармонической составляющей тока 1п для значений п от 2 до 40.
В соответствии с первоначальным стандартом указанный прибор
может быть средством измерений, использующим частотное
преобразование входного сигнала, имеющим в составе селективные
фильтры или анализатор спектра, либо средством измерений,
использующим временное преобразование входного сигнала, осуществляющим
цифровую обработку для получения дискретного преобразования
Фурье. Ошибка при измерении неизменяющихся величин должна
быть менее 5% от установленной нормы. Стандарт МЭК 61000-3-2
устанавливает требования к средствам измерений, использующий
временное преобразование сигнала, несколько отличные от тех
которые установлены для средств измерений, использующих чш
стотное преобразование сигнала. Изменение А14 («общеевропейска|
модификация») выводит из применения требования указанноп
стандарта и вместо них устанавливает применение требований стан
дарта МЭК 61000-4-7, который представляет собой справочный стан
МС для разработчиков продукции 201
арт, определяющий эталонные средства измерений гармонических
эставляющих. Цель этого стандарта заключается в том, чтобы ли-
1ить законной силы средства измерений, использующие частотное
реобразование входного сигнала, и допустить к применению лишь
редства измерений, осуществляющие дискретное преобразование
'урье. Практически все имеющиеся в продаже анализаторы гармо-
ик являются приборами именно этого вида.
Если гармонические составляющие изменяются во время испы-
аний, оценка соответствия нормам должна проводиться на основе
улаживания измеряемых значений гармонических составляющих
эка, соответствующего применению фильтра первого порядка с
остоянной времени 1,5 с. Стандарт МЭК 61000-4-7 предусматри-
ает более специфические требования к алгоритму сглаживания,
снованные на реализации фильтра с использованием цифровой
эработки.
.2.2 Условия испытаний
В стандарте МЭК 61000-3-2 установлены специальные условия
спытаний для оборудования некоторых видов, включая телевизи-
-шые приемники, усилители сигналов звуковой частоты, видео-
агнитофоны, световое оборудование, и различные электрические
ютовые приборы. Автономные регулирующие устройства для ламп
акаливания и другие устройства с фазовым регулированием мощ-
ости должны быть испытаны при установке фазового угла про-
ождения тока, равного 90 град. Оборудование информационных
ехнологий испытывается при таком составе элементов, чтобы по-
ребляемый ток был равен номинальному значению.
Стандарт МЭК 61000-4-7 требует, чтобы при испытаниях обо-
удования других видов органы управления или автоматические
рограммы, применяемые пользователем, устанавливались таким
бразом, чтобы обеспечить максимальное значение каждой после-
,ующей измеряемой гармонической составляющей тока по очереди.
Зсли следовать букве стандарта, эта процедура должна при про-
!вдении полного испытания потребовать значительного времени и
'силий. Изменение А14 заменяет эту процедуру, устанавливая бо-
iee приемлемое требование проводить испытания оборудования при
:аком режиме, который, как ожидается, обеспечит максимальный
зостав гармонических составляющих тока при нормальных рабочих
условиях. В результате упорядочивается ситуация, реально
складывающаяся в большинстве испытательных лабораторий ЭМС.
202 Измерение помехоэмиссии
3.2.3 Классификация оборудования и нормы
Стандарт МЭК 61000-3-2 устанавливает четыре класса
оборудования:
• класс В для переносных электрических инструментов;
• класс С для световых приборов, включая устройства
регулирования;
• класс D для оборудования с потребляемым током,
характеризующимся «специальной формой кривой» и активной
потребляемой мощностью, не превышающей 600 Вт;
• класс А для оборудования других видов и особенно
симметричных трехфазных изделий.
«Специальная форма кривой» задается предельными
значениями, как показано на рисунке 3.20, и представляет собой, по
существу, способ распознавания источников питания с электронными
схемами, которые, как правило, потребляют из электрической сети
ток в течение времени, меньшего, чем третья часть длительности
полупериода питающего напряжения. Нормы гармонических
составляющих потребляемого тока установлены в абсолютных
значениях, независимо от потребляемой мощности, для оборудования
класса А, и в виде совокупности величин, зависящих от
потребляемой мощности для оборудования класса D. В графическом виде эти
нормы изображены на рис. 3.21. Для оборудования с потребляемой
мощностью более 600 Вт нормы класса А, имеющие фиксированные
значения, становятся при увеличении мощности пропорционально
менее жесткими.
3.2.3.1 Состав оборудования, относящегося к классу D
Определение оборудования, относящегося к классу D, вызывает
при использовании стандарта МЭК 61000-3-2 больше проблем, чем
его любой другой аспект. Если предполагается, что испытуемое
оборудование относится к классу D, прежде всего необходимо с
помощью измерительной аппаратуры проверить форму кривой
потребляемого тока, чтобы убедиться, подпадает ли ИО под определение
класса D. Это приводит на практике к значительным трудностям
в определении силы и формы кривой тока, особенно если ток или
его гармонический состав флюктуируют. Эти трудности были реши
тельно преодолены в Изменении А14 («общеевропейской модифика
ции», введенной СЕНЕЛЕК).
Рабочие группы не смогли выработать общий приемлемый мето
применения предельных значений, указанных на рис. 3.20, дл
ЭМС для разработчиков продукции
203
выделения оборудования, относящегося к классу D. Так как класс
D предназначается для введения ограничений на использование
оборудования определенных видов, которое рассматривается как
Форма кривой потребляемого
тока i, отнесенного к его амплитудному
значению ip|<,находится в пределах графика,
по меньшей мере для 95% длительности
каждого периода
Центральная линия соответствует пиковому
значению потребляемого тока
NB В общем случае, значение wt=0 не
соответствует переходу напряжения
через ноль
I wt
О я/2 к
Рис. 3.20 Специальная форма кривой потребляемого тока в соответствии с МЭК
61000-3-2, класс D
<2.0
i
1.0
Нормь
обору;
устана
L,
ДЛЯ
*ования
вливают
-. ^£
т
у
xr—zz
у
—г- ""
1
^г Основная частота
п = 3
п = 5
п = 7
п = 9
п = 11
потребляемая мощность
500вт
1кВт
Рис. 3.21 Нормы гармонических составляющих потребляемого тока для
оборудования класса А и класса D(n ^ 11)
оказывающее наибольшее воздействие на электрические сети, в
новом Изменении А14 определение класса D полностью изменено и
основывается на установлении определенных видов оборудования, к
которым должны применяться нормы класса D. Указанными
видами оборудования являются:
■ персональные компьютеры и мониторы;
• телевизионные приемники,
с установленной мощностью (см. следующий раздел), не
превышающей 600 Вт. Все остальное оборудование, которое не относится к
классам В и С, должно рассматриваться, как относящееся к классу
204 Измерение помехоэмиссии
А. Что касается предельных значений «специальной формы
кривой», то это понятие эффективно исключается из рассмотрения, так
же как и спорная замена нижнего предела мощности, для которого
установлены нормы, равного 75 Вт, на 50 Вт, которая теперь
отложена окончательно.
Установление мощности для применения норм класса D
Нормы класса D установлены в мА на один ватт мощности
оборудования, и решить вопрос о том, какая мощность должна
использоваться для определения значения нормы, достаточно
затруднительно. В соответствии с новым документом, с нормой сравнивается
средний уровень эмиссии гармонических составляющих тока.
Указанному среднему уровню эмиссии ставится в соответствие
максимальное значение мощности оборудования, определенное по
результатам измерений в каждом измерительном окне за весь период
измерений. Гармонические составляющие тока и активная входная
мощность должны измеряться при одних и тех же условиях
испытаний, но их одновременное измерение не является обязательным.
Для того чтобы исключить возможность получения такого
значения мощности, при котором нормы резко изменяются (например,
600 Вт или 75 Вт), допускается, чтобы изготовитель
самостоятельно установил значение мощности для определения нормы, но это
установленное значение должно быть в пределах ± 10% от
действительного измеренного значения мощности оборудования. Другими
словами, если максимальная измеренная мощность оборудования
близка к такому значению, при котором действие норм класса D
прекращается, то изготовитель имеет возможность установить уровень
мощности в пределах 10% от этой величины с тем, чтобы
(потенциально) вывести оборудование из-под действия жестких норм
помехоэмиссии. Цель этого в известной степени усложненного подхода
заключается в том, чтобы исключить ситуации, при которых для
оборудования, имеющего граничные параметры, могли
применяться, в результате проведения слегка различающихся испытаний,
резко отличающиеся друг от друга нормы. «Установленная» для
этих целей мощность оборудования не обязательно совпадает с
«номинальной» мощностью, связанной с безопасностью или
функциональными характеристиками оборудования.
3.2.3.2 Профессиональное оборудование
Существенным смягчением требований к оборудованию,
предусмотренным в первоначальном стандарте, является то, что нормы
ЭМС для разработчиков продукции 205
не применяются (более правильно, «находятся на рассмотрении»)
для профессионального оборудования с мощностью более 1 кВт.
Профессиональное оборудование определяется, как «оборудование,
применяемое в торговой деятельности, в профессиональной
деятельности или в отраслях промышленности, которое не предназначено
для широкой продажи гражданам. Назначение оборудования для
профессиональной деятельности должно быть установлено
изготовителем». Изменение А14 смягчает требования к
профессиональному оборудованию в еще большей степени, допуская подключение к
«низковольтным системам электроснабжения определенного вида»
профессионального оборудования, не соответствующего нормам
гармонических составляющих потребляемого тока, если инструкция
пользователя содержит требование о получении от энергоснабжаю-
щей организации разрешения на подключение.
3.2.4 Фликер
К требованиям стандарта МЭК 61000-3-2, относящимся к
гармоническим составляющим потребляемого тока близки требования
стандарта МЭК 61000-3-3, относящиеся к фликеру. Фликер
определяется как «восприятие непостоянства визуальных ощущений,
вызванное источниками света, светимость или спектральные
характеристики которых изменяются во времени». Связь этих свойств
источников света с проблемой электромагнитной совместимости
заключается в том, что изменяющиеся нагрузки в электрических
сетях вызывают колебания напряжения в точках общего
присоединения, амплитуды которых достаточны для того, чтобы вызвать
возникновение фликера. Источники света, подвергающиеся
воздействию, могут при этом не влиять на подключенное к электрической
сети оборудование, вызывающее колебания напряжения.
Следовательно, стандарт МЭК 61000-3-3, который имеет столь же широкую
область применения, как и МЭК 61000-3-2, устанавливает такие
требования, при выполнении которых данный образец аппарата
может вызвать только приемлемый уровень фликера. Это достигается
путем введения ограничений на колебания напряжения, которые
может вызвать, при протекании через стандартную нагрузку,
электрический ток, потребляемый аппаратом. В стандарте установлены
нормы помехоэмиссии, относящиеся к трем категориям:
• относительным изменениям напряжения;
• кратковременной дозе фликера Pst;
• длительной дозе фликера P|t.
206 Измерение помехоэмиссии
Эти нормы не применяются к аппаратам, которые выключаются,
или к тем, подача напряжения на которые прерывается при
критических или аварийных ситуациях. Нормы Pst и Plt, кроме того, не
применяются при ручной коммутации аппаратов или в том случае,
когда колебания напряжения возникают с частотой менее одного
колебания в час. Вместе с тем для таких редко возникающих
событий применяются нормы относительных изменений напряжения,
что означает установление для любых аппаратов эффективных норм
допустимого пускового тока. Необходимо отметить, что не для всех
был очевиден именно этот частный эффект стандарта МЭК 61000-3-3,
который был предусмотрен разработавшим его техническим
комитетом. Стандарт, однако, устанавливает, что «испытания не должны
проводиться применительно к оборудованию, создание которым
значительных колебаний напряжения или фликера маловероятно».
Следовательно, условия ограничения пусковых токов не являются
до настоящего времени сформулированными совершенно
определенно. Указанное выше положение стандарта широко
интерпретировалось в том смысле, что для большинства типичных электронных
аппаратов, у которых установившийся потребляемый ток
изменяется лишь незначительно, испытания, предусмотренные стандартом,
могут быть исключены. В результате лишь немногие изготовители
электронных источников питания, часто не соответствующих при
их включении нормам изменений напряжения, осведомлены о том,
что изготовляемая аппаратура подпадает под действие
указанного стандарта. В период написания настоящей книги находилось
на стадии голосования подготовленное Изменение к стандарту
МЭК 61000-3-3. Это Изменение делает более ясным необходимость
введения ограничений на пусковые токи и несколько уточняет
установленные нормы в части допустимых относительных изменений
напряжения, но потребуется определенное время для того, чтобы
изготовители оборудования стали действительно осведомленными о
своих обязанностях в этом отношении.
3.2.4.1 Измерительные приборы
Основные измерительные приборы, используемые при
измерениях фликера, имеют в основном те же структурные схемы и
характеристики, что и приборы, применяемые для анализа гармоник,
приведенные на рис. 3.19. По этой причине анализаторы гармоник
и фликера часто изготовляются в виде одного устройства.
Различия между ними можно видеть на рис. 3.22, где приведена схема
измерений, содержащая источник электропитания трехфазного
ЭМС для разработчиков продукции
207
переменного тока, в которой измеряемыми величинами являются
напряжения на сетевых зажимах оборудования, а не ток,
потребляемый оборудованием. Выходное полное сопротивление источника
электропитания определено в данном случае более детально, так что
изменения тока, потребляемого испытуемым оборудованием,
вызывают вполне определенные изменения напряжения, которые затем
анализируются с тем, чтобы сравнить их с различными нормами
помехоэмиссии.
источник электропитания
JXl
-0-CZ3-/YYYY
jxn
анализатор
(фликерметр)
L!
L2
L3
N
ИО
Для оборудования с однофазным
Rn = 0.16 Ом, Xn = 0.1 Ом при 50Гц питанием полные сопротивления
RL = 0.24 Ом, XL = 0.15 Ом при 50Гц МОГУТ бь'ть объединены, таким
L ' L к ч образом чтобы получить 0.4 + j 0.25 Ом
Рис. 3.22 Схема измерений фликера
Требуемая точность этой измерительной установки должна быть
такой, чтобы относительные изменения напряжения могли быть
измерены с общей погрешностью менее ± 8% от максимально
допустимого уровня. Погрешность измерений может быть распределена
между эталонным полным сопротивлением источника
электропитания и измерителем при условии, что общая погрешность измерений
находится в установленных пределах.
3.2.4.2 Относительные изменения напряжения
Для того чтобы получить зависимость изменений напряжения от
времени, необходимо дискретно определять среднеквадратические
значения фазных напряжений на каждом полупериоде напряжения
основной частоты (длительностью 10 мс). Среднеквадратические
значения напряжения определяются, как правило, путем прямого
измерения, хотя возможно также определить их расчетным путем
при известных активной и реактивной частях комплексного тока
основной частоты. Отношение огибающей среднеквадратичных
208 Измерение помехоэмиссии
значений напряжения к номинальному напряжению дает функцию
d(t)9 позволяющую получить две важные характеристики
колебаний напряжения, вызываемых оборудованием, подключенным к
электрической сети:
• установившееся относительное изменение напряжения dc,
представляющее собой разность между двумя смежными
установившимися значениями напряжения, разделенными по
крайней мере одним изменением напряжения
(установившееся напряжение определяется как напряжение неизменное по
крайней мере в течение 1 с);
• максимальное относительное изменение напряжения dmax,
представляющее собой разность между максимальным и
минимальным значениями характеристики изменения
напряжения.
Стандарт МЭК 61000-3-3 устанавливает, что величина dc не
должна превышать 3%, величина dmax не должна превышать 4%,
и функция d (t) не должна превышать 3% для интервала времени
изменения напряжения, большего 200 мс. Указанные нормы
умножают на 1,33, если изменения напряжения вызваны ручными
переключениями или частота их повторения меньше 1/ч.
3.2.4.3 Кратковременная доза фликера
Изменения напряжения сами по себе не являются адекватной
характеристикой степени восприятия фликера. Чувствительность
системы «глаз — мозг» человека к фликеру изменяется в зависимости
от частоты изменений фликера. Чтобы учесть это обстоятельство,
колебания напряжения должны быть соответствующим образом
обработаны в течение интервала времени, составляющего
несколько минут, принимая во внимание частоту изменений напряжения,
форму зависимости изменений напряжения от времени и
кумулятивный эффект при повторяющихся изменениях. Хотя в некоторых
специальных случаях это может быть выполнено аналитическим
путем, а в одном случае путем прямого сравнения с графиком (см.
ниже), в общем случае изменения напряжения должны быть
обработаны с помощью фликерметра, характеристики которого
установлены в стандарте МЭК 868 (в настоящее время заменяется стандартом
МЭК 61000-4-15). Фликерметр осуществляет взвешивание
колебаний напряжения, причем характеристики указанного
взвешивания зависят от формы этих изменений. Применение фликерметра
является эталонным методом оценки соответствия оборудования
нормам, установленным в стандарте МЭК 61000-3-3.
)МС для разработчиков продукции
209
На выходе фликерметра получается кратковременная доза фли-
сера Pst. Величина Pst определяется за период времени, равный 10
лин. Величина Pst не может быть более 1.
В специальном случае, когда изменения напряжения имеют
£орму меандра с постоянной амплитудой, величина Pst может быть
определена с помощью графика, приведенного в стандарте МЭК
51000-4-15 и воспроизведенного на рис. 3.23. Этот график
показывает зависимость d(t) от частоты, для случая, когда Pst = 1 и
иллюстрирует максимальную физиологическую чувствительность
человека при частоте изменений напряжения от 800 до 1000 в минуту.
ю
0.1
N
/
\/
Т "
/
0.1
1
10
100
1000
число изменении напряжения в минуту
Рис. 3.23 Кривая для Psf = / при изменениях напряжения, имеющих форму меандра
3.1.4.4. Длительная доза фликера
В некоторых случаях фликер должен оцениваться за больший
интервал времени с использованием последовательных значений Pst
с тем, чтобы получить длительную дозу фликера Plt. Величина Рн
усредняется путем определения кубического корня из суммы кубов
величин Pgt.
Стандарт МЭК 61000-3-3 предусматривает, что определение
величины Plt необходимо для оборудования, у которого длительность
рабочего цикла в нормальных условиях превышает 30 мин. При
этом период наблюдения составляет 2 часа и, таким образом,
фиксируются 12 последовательных значения Ря1. Величина Рн не может
210 Измерение помехоэмиссии
быть более 0,65. Обоснование этого, в сущности, заключается в том,
что если для человека приемлем в течение 10 минут фликер,
кратковременная доза которого Pgt = 1, то при продолжении указанного
фликера в течение большего времени, порог раздражительности при
воздействии фликера понижается.
Приложение А к стандарту МЭК 61000-3-3 устанавливает
рабочие условия при испытаниях и порядок применения норм
помехоэмиссии для оборудования определенных видов, особенно
конторского оборудования и бытовых приборов. В некоторых случаях в
измерении величин Plt нет необходимости.
Глава 4
Испытания на помехоустойчивость
4.1 Устойчивость к радиочастотным помехам
До введения в действие Директивы ЭМС испытания на
помехоустойчивость изделий, подлежащих размещению на рынке, были в
большинстве случаев не обязательными, но в ряде случаев проводились
по требованию заказчиков для обеспечения надежности в условиях
воздействия электромагнитных помех. Вместе с тем уже некоторое
время существовали военные и аэрокосмические стандарты в
области помехоустойчивости, которые за неимением других
действующих или применимых стандартов изредка появлялись в
коммерческих контрактах. В военных и аэрокосмических стандартах были
установлены методы испытаний на помехоустойчивость при
воздействии как излучаемых, так и кондуктивных радиочастотных
помех. Основными коммерческими стандартами в области
устойчивости к радиочастотным помехам были до середины девяностых годов
стандарты, входящие в группу стандартов МЭК 801. В настоящее
время они заменены стандартами МЭК 61000-4-3 и МЭК 61000-4-6,
устанавливающими методы испытаний на устойчивость
соответственно к излучаемым и кондуктивным радиочастотным помехам.
Стандарт ЕН 55020 (подобный, но не идентичный СИСГГР 20), также
устанавливает методы испытаний на устойчивость как к
излучаемым, так и к кондуктивным радиочастотным помехам, но
применяется только для радиовещательных приемников, телевизоров и
аналогичного оборудования.
Испытания на устойчивость к излученному радиочастотному
электромагнитному полю, так же как и испытания на соответствие
нормам излучаемых радиочастотных помех, характеризуются
значительным разбросом результатов, что обусловлено физическими
условиями, при которых функционируют испытательные
установки. Расположение испытуемого оборудования и подходящих к
нему соединительных кабелей в значительной степени влияет на
радиочастотные токи и напряжения, наводимые в ИО. На
частотах, где испытуемое оборудование является электрически малым,
доминирующее значение имеют помехи, наводимые в кабелях, и,
следовательно, размещение кабелей и их нагрузки должны быть
регламентированы в процедуре испытаний.
212
Испытания на помехоустойчивость
4.1.1 Испытательное оборудование
На рис. 4.1 приведены элементы типичной испытательной
установки для испытаний на устойчивость к излученным
электромагнитным полям в экранированном помещении. Основными из них
являются источник радиочастотного сигнала, широкополосный
усилитель мощности и преобразователь. Последний может
представлять собой комплект антенн, камеру, представляющую собой
отрезок закрытой линии передачи, или полосковую линию. Эти
источник установка
сигналов контроля
сигнала
экранированное помещение
датчик
напряженности
поля
источник
электропитания
вспомогательное
оборудование
Рис. 4.1 Установка для испытаний на устойчивость к радиочастотным излучаемым
помехам
устройства дают возможность создавать испытательное
электромагнитное поле в месте расположения ИО. Для точного
управления напряженностью поля должны также применяться некоторые
средства контроля и калибровки уровня сигнала, подаваемого на
преобразователь. В испытательной лаборатории эти устройства,
как правило, объединяются системой управления, использующей
компьютер, обеспечивающий автоматизацию функций перестройки
по частоте и установления уровней напряженности испытательного
электромагнитного поля.
4.1.1.1 Источник сигналов
При проведении испытаний может быть использован любой
генератор сигналов с требуемой полосой частот (80 — 1000 МГц для МЭК
61000-4-3 и 150 кГц — 80 Мгц для МЭК 61000-4-6). Уровень
сигналов на выходе генератора должен соответствовать требованиям к
входным сигналам усилителя мощности (с запасом несколько дБ).
Этот уровень в типичных случаях составляет 0 дБ(мВт), что может
быть обеспечено без затруднений.
Стандарт МЭК 61000-4-3 предусматривает, что радиочастотная
несущая должна быть модулирована синусоидальным сигналом
частотой 1 кГц при глубине модуляции 80%, хотя в предыдущей
ЭМС для разработчиков продукции 213
версии стандарта (МЭК 801-3) требования к модуляции не были
установлены. Модуляция несущей может осуществляться либо
непосредственно в генераторе сигналов, либо с помощью
отдельного модулятора. В типичном случае для обеспечения шаговой
перестройки частоты используется синтезатор частот. При этом
используется программное обеспечение, управляющее процессом
перестройки частоты в полосе частот испытаний. Требуемый шаг
перестройки частоты зависит от того, имеются ли у испытуемого
оборудования узкополосные отклики при воздействии
электромагнитного поля, перестраиваемого по частоте. Для исследования
откликов ИО вблизи некоторых определенных частот необходимо
иметь возможность ручной установки частоты. Необходимо уделять
особое внимание тому, чтобы при изменении частоты или уровня
испытательного поля в генераторе сигналов не возникали переходные
процессы, связанные с отклонениями уровня выходного сигнала,
так как после усиления они будут воздействовать на испытуемое
оборудование, как переходные электромагнитные поля, что может
привести к ошибочно высокой восприимчивости ИО.
4.1.1.2 Усилитель мощности
Большинство источников сигналов сами по себе не обладают
достаточно высоким уровнем выходного сигнала, и вам потребуется
комплект усилителей мощности для того, чтобы обеспечить этот
уровень. Необходимая выходная мощность будет зависеть от
напряженности электромагнитного поля, которую вы должны будете
создать в месте размещения ИО, и от характеристик используемого
при этом преобразователя. Подобно коэффициенту калибровки,
характеристикой антенны является также подводимая мощность,
необходимая для обеспечения заданной напряженности поля на
определенном расстоянии. Указанная величина может быть
определена либо непосредственно, либо исходя из усиления антенны.
Зависимость между усилением антенны, мощностью, подводимой
к антенне, и напряженностью поля в дальней зоне определяется
выражением:
где: Pt — мощность, подводимая к антенне;
г — расстояние от антенны в метрах;
Е — напряженность поля на расстоянии г в В/м;
214
Испытания на помехоустойчивость
G — численное значение усиления антенны [= анти lg (GflB/10)]
относительно ненаправленной антенны.
Усиление широкополосной антенны изменяется в зависимости
от частоты, и, следовательно, подводимая к антенне мощность,
необходимая для создания заданной напряженности поля, также
будет меняться в зависимости от частоты. На рис. 4.2 приведена
типичная зависимость от частоты подводимой к антенне мощности,
100
ш
§ 10
х
О
30МГц 100МГц
\
\
\
\
\
Частота
300МГц
1ГГц
Рис. 4.2 Зависимость необходимой мощности от частоты (напряженность поля
ЮВ/м, расстояние 1 м, биконическая и логопериодическая антенны)
необходимой для того, чтобы создать на расстоянии 1 м
электромагнитное поле напряженностью 10 В/м. На высоких частотах
необходима меньшая подводимая мощность, что обусловлено повышенным
усилением логопериодической антенны на этих частотах. Вы также
можете видеть значительное повышение требуемой мощности при
использовании обычной биконической антенны на частотах ниже
80 МГц; отчасти именно поэтому низшая частота при испытаниях
на устойчивость к излученному электромагнитному полю была
выбрана равной 80 МГц, хотя последующее развитие широкополосных
антенн и улучшило это положение (см. раздел 4.1.1.4).
Выходная мощность в определенной полосе частот является
наиболее важным параметром усилителя мощности. С учетом этого
параметра осуществляется выбор усилителя мощности, и он
определяет в основном стоимость оборудования. Имеющиеся в продаже
широкополосные усилители (1 — 1000 МГц) обладают мощностью
в несколько ватт, но этого может быть недостаточно для создания
требуемой напряженности поля в нижнем участке ОВЧ-диапазона
частот при использовании биконической антенны. Поэтому может
ЭМС для разработчиков продукции
215
потребоваться другой усилитель мощности в ограниченной полосе
частот 30 — 300 МГц. Если вы примените два усилителя мощности,
согласованных с полосами рабочих частот и требованиями по
подводимой мощности каждой из двух используемых антенн, это
уменьшит число переключений при перекрытии полной полосы частот.
Отметим, что если антенна и усилитель тщательно не согласованы
между собой, то мощность, передаваемая в антенну (полезная
мощность), не равна мощности, подводимой от усилителя. На практике
это часто имеет место. При высоком значении КСВН (таком, как у
биконической или стандартной билогарифмической антенны на
частотах ниже 70 МГц) большая часть мощности, подводимой к
антенне, отражается обратно к усилителю, который в этом случае
работает неэффективно и может быть поврежден.
В испытательной установке необходим определенный запас
мощности, учитывающий модуляцию сигнала и потери в системе,
а также позволяющий проводить испытания при большем
расстоянии. При глубине модуляции 80%, как установлено в стандарте
МЭК 61000-4-3, мгновенная мощность должна быть на 5,2 дБ (в 3,3
раза) выше, чем при немодулированной несущей, как показано на
рис. 4.3.
Уровень при пиковых значениях
Уровень непрерывного сигнала модуляции VpP=5,1 В
Vp-p=2,8 Bf VCKB=1 В
" VCKB=1,12B
непрерывный сигнал
(смодулированный)
Коэффициент^ f yv
мощности Lvppv w//v
Рис. 4.3 Модулированный и немодулированный сигналы
глубина модуляции (80%)
В
Если вы будете использовать антенны и усилитель мощности в
экранированном помещении, не обладающем свойствами безэхово-
сти (раздел 4.1.2.1), то запас мощности в испытательной установке
должен быть увеличен по крайней мере еще на 6 дБ (в четыре раза
по мощности) для того, чтобы скомпенсировать уменьшения
напряженности поля на некоторых частотах, вызванные отражениями
216 Испытания на помехоустойчивость
от стен. Если в испытательной установке вместо комплекта антенн
используются другие преобразователи, такие как ТЕМ-камера или
полосковая линия (рассматриваются в разделе 4.1.1.4), то
требования к выходной мощности, при которой обеспечивается заданная
величина напряженности испытательного поля, будут существенно
ниже. Таким образом возможен прямой обмен стоимости в
зависимости от выбора типа преобразователя и необходимой мощности
усилителя.
Другими факторами, которые следует принимать во внимание
(независимо от стоимости) при выборе усилителя мощности,
являются:
1) линейность. Испытания на устойчивость к радиочастотным
помехам могут сопровождаться определенными нелинейными
искажениями, но они не должны быть чрезмерно большими, так как
проявляются в виде гармонических составляющих напряжения на
частоте испытаний и могут вызвать нежелательные отклики
испытуемого оборудования. В соответствии со стандартами МЭК 61000-4-3 и
МЭК 61000-4-6 уровень гармоник и искажений, вносимых
усилителем мощности, должен быть ниже уровня несущей не менее чем на
15 дБ;
2) способность выдерживать значительные перегрузки.
Усилитель мощности должен быть в состоянии без самовыключений
продолжительно функционировать при полной мощности и при
предельных значениях КСВН, т.е. практически в режиме холостого
хода или короткого замыкания. Следует учитывать, что
испытательные антенны не являются совершенными и никогда ими не
будут в практической деятельности инженера-испытателя;
3) усиление по мощности. Полная выходная мощность должна
достигаться при вполне определенном уровне входного сигнала, с
некоторым необходимым запасом во всей полосе частот испытаний;
4) надежность и техническое обслуживание. Маловероятно, что
в типичных условиях испытаний вы можете иметь несколько
усилителей мощности, так что при неисправности у вас должна быть
гарантия его быстрого восстановления.
4.1.1.3 Датчик напряженности поля и устройство управления
При проведении испытаний важно иметь возможность обеспечить
правильное значение напряженности испытательного
электромагнитного поля в месте расположения ИО. Отражения
электромагнитного поля и его искажения, вызванные ИО, приводят к значениям
напряженности поля, отличным от тех значений, которые следовало
ЭМС для разработчиков продукции 217
бы ожидать в свободном пространстве, причем эти отличия
изменяются при перестройке частоты. В связи с этим рекомендуется вновь
перечитать раздел 3.1.5 об источниках неопределенности при
измерениях помехоэмиссии, так как вопросы, обсуждаемые в указанном
разделе, применимы в равной степени к измерениям
напряженности поля при испытаниях на помехоустойчивость.
Напряженность радиочастотных электромагнитных полей
может быть определена с помощью широкополосного датчика поля,
представляющего собой, как правило, конструкцию из небольших
симметричных вибраторов с детекторами, расположенных в трех
ортогональных плоскостях, так что датчик такой конструкции
чувствителен к электромагнитному полю любой поляризации. В
простейшем случае такое устройство питается от батарей и имеет
встроенный индикатор, так что оператор должен непрерывно
следить за напряженностью поля с одновременной ручной
корректировкой мощности на выходе усилителя. В более сложных
установках используется волоконно-оптическая линия передачи данных от
датчика, что исключает искажения испытательного
электромагнитного поля, вызванные экраном кабеля.
Существует два основных метода управления испытательным
электромагнитным полем: с использованием замкнутой системы
управления и с использованием метода подстановки. В
экранированных помещениях, не обладающих свойством безэховости,
обычным является применение метода управления испытательным
электромагнитным полем: с использованием замкнутой системы
управления, как это установлено в раннем стандарте МЭК 801-3.
В соответствии с этим методом датчик поля располагается вблизи
от ИО и мощность, подаваемая на преобразователь, изменяется,
при перестройке частоты таким образом, чтобы обеспечить точное
значение напряженности испытательного электромагнитного поля.
Этот метод, который интуитивно кажется правильным, на практике
имеет несколько недостатков:
• датчик измеряет напряженность поля только в одной точке.
В других точках вблизи испытательного оборудования
напряженность поля может в значительной степени изменяться,
особенно если размеры ИО велики в сравнении с длиной волны;
• если датчик при некоторой частоте испытаний оказался в
точке нулевого поля, то результатом применения указанного
метода управления будет увеличение подводимой к усилителю
мощности для корректировки напряженности поля, что приве-
218 Испытания на помехоустойчивость
дет к увеличению, возможно, сверх требуемого уровня,
напряженности поля в других точках;
• при использовании шаговой перестройки частоты результатом
настройки подводимой к усилителю мощности для установки
точной напряженности испытательного поля на каждой
частоте может быть повышенный уровень мощности и,
следовательно, временное превышение напряженности испытательного
поля.
Ясно, что при использовании этого метода ИО может быть
подвергнуто воздействию электромагнитного поля с напряженностью,
превышающей установленное значение. При использовании безэхо-
вых камер и применении таких преобразователей, как ТЕМ-камеры,
метод подстановки является предпочтительным. Кроме того, только
метод подстановки при управлении испытательным
электромагнитным полем допускается применять при испытаниях в соответствии с
требованиями стандарта МЭК 61000-4-3. Указанный метод основан
на предварительной калибровке поля в камере или помещении при
отсутствии ИО с измерением на каждой частоте мощности,
необходимой для создания испытательного поля заданной
напряженности. Затем в камере (помещении) размещается ИО и подводится
та же мощность. Сущность этого метода заключается в том, что
напряженность испытательного электромагнитного поля,
безотносительно к его искажениям, вызванным испытательным
оборудованием, считается равной номинальному значению; никаких
попыток корректировать напряженность поля путем ее реальных
измерений в точках, находящихся вблизи ИО, не предпринимается;
вместо этого в качестве контролируемого параметра используется
напряженность поля в камере (помещении) в отсутствии ИО. Такой
метод может быть реально применен только в том случае, если четко
установлены требования к однородности испытательного
электромагнитного поля (см. раздел. 4.1.2.2), но даже при этих условиях
указанный метод является гораздо более предпочтительным. В
процессе предварительной калибровки лучше контролировать не
полезную мощность, передаваемую в антенну, а выходную мощность
усилителя (подводимую мощность). Это возможно из-за того, что
характеристики антенны несущественно меняются при размещении
ИО в камере (помещении), что в свою очередь требует, чтобы
расстояние от антенны до ИО было возможно большим.
4.1.1.4 Преобразователи
ЭМС для разработчиков продукции
219
Выше был рассмотрен способ создания испытательного
электромагнитного поля с помощью антенны. Как правило, желательно
использовать те же антенны, что применяются при проведении
измерений излучаемой помехоэмиссии, т.е. биконическую и лого-
периодическую антенны, что вполне приемлемо. Уровень
подаваемой мощности для этих антенн ограничен трансформатором
симметрирующего устройства, который размещается в точке питания
антенны. Этот широкополосный трансформатор с коэффициентом
трансформации 1:1, в котором используется ферритовый
сердечник, преобразует симметричное (bal&nced) напряжение вибратора
в несимметричное (unbalanced) напряжение, подаваемое на
коаксиальный кабель, отчего и произошло название «симметрирующее
устройство» («bal-un»). Симметрирующее устройство является
частью антенны, и при калибровке антенны учитываются потери в
симметрирующем устройстве, которые, как правило, очень малы.
Тем не менее некоторая часть мощности, подводимой к антенне,
превращается в тепло в сердечнике и обмотке симметрирующего
устройства, что ограничивает подводимую мощность.
Высокое значение КСВН широкополосных антенн (см. раздел
3.1.5.1 и раздел С.2 Приложения С), что особенно имеет место для би-
конических антенн на низких частотах, означает, что большая часть
подводимой к антенне мощности не излучается, а отражается, чем и
объясняется малая эффективность указанных антенн на этих
частотах. На рис. 4.4 приведены типичные зависимости КСВН от частоты
для трех типов билогарифмических антенн. Для совершенствова-
Компактная
с Х-образными крыльями
Стандартная
с Х-образными крыльями
Стандартная
билогарифмическая
I i
100
Частота, МГц
Рис. 4.4 КСВН билогарифмических антенн (источник: Шаффнер Чейз ЭМС)
юоо
220 Испытания на помехоустойчивость
ния антенн, применяемых при испытаниях на помехоустойчивость,
были предприняты значительные усилия и приведенные на рис. 4.4
кривые для моделей антенн с расширенной полосой частот (с Х-об-
разными крыльями) свидетельствуют о достигнутом улучшении их
характеристик. Из-за линейной поляризации антенн испытания на
помехоустойчивость, как и измерения излучаемой помехоэмиссии,
должны проводиться дважды — один раз при горизонтальной и
один раз при вертикальной поляризации.
Существует еще два вида преобразователей, с помощью которых
могут быть осуществлены испытания на помехоустойчивость
образцов ИО малых размеров. К ним относятся полосковые линии и ТЕМ-
камеры (или камеры Крофорда).
Полосковые линии
Трудности, вызываемые использованием антенн при испытаниях
на помехо-устойчивость, привели к созданию в семидесятых годах
альтернативного способа облучения ИО. Гронвельд и де Джонг [71]
сконструировали простую линию передачи, конструкция которой
обеспечивает однородное электромагнитное поле в относительно
малом объеме между двумя пластинами. Использование этой
конструкции было затем предусмотрено в двух стандартах — МЭК 801,
часть 3 (1984), и ЕН 55020 в качестве рекомендуемого метода
осуществления испытаний на устойчивость к излученному
радиочастотному электромагнитному полю в определенной части установленной
полосы частот. Стандарт МЭК 61000-4-3 допускает использование
метода полосковой линии только в том случае, если однородность
испытательного поля и расположение ИО и подключенных кабелей
соответствует установленным в стандарте требованиям.
Полосковая линия представляет собой, в сущности, две
параллельные пластины, между которыми создается электромагнитное
поле. С одного конца на пластины подается питающее напряжение
с помощью ленточного согласующего устройства, на другом конце
размещается согласованная нагрузка идентичной конструкции.
Размеры параллельной части линии, как установлено в стандарте,
составляют 80 х 80 х 80 см. Испытуемое оборудование размещается
внутри рабочего объема на изолирующей подставке, установленной
на одной из пластин (рис. 4.5). Поле между двумя пластинами,
распространяющееся в виде поперечной электромагнитной (ТЕМ)
волны, имеет такие же характеристики, как в свободном пространстве.
Калибровка полосковой линии теоретически очень проста: если
обеспечивается соответствующее согласование, то напряженность поля
ЭМС для разработчиков продукции
221
Е равна напряжению в точке питания V, деленному на расстояние
между пластинами h:
Е — VI h (вольт на метр).
(4.2)
• На практике возможны некоторые отклонения от идеального
случая, и поэтому желательно провести калибровку с использовани-
параллельные
пластины
ИО
Рис. 4.5 Полосковая линия
изоляционная
опора
ем пробника небольших размеров, который размещается в рабочем
объеме. Если испытания с помощью полосковой линии проводятся в
экранированном помещении, то отражения от стен приведут к
весьма серьезным нарушениям характеристик распространения, как это
имеет место при использовании антенн, и вам придется окружать
полосковую линию плитами радиопоглощающего материала для
того, чтобы ослабить указанные отражения. Это обойдется дешевле,
чем покрытие стен помещения радиопоглощающим материалом.
Точность испытаний с использованием полосковой линии в
значительной степени зависит от размеров ИО. Стандарт МЭК 801-3
рекомендует, чтобы размеры ИО не превышали 25 см, в то время
как стандарт ЕН 55020, при коррекции коэффициента
калибровки, допускает проведение испытаний ИО высотой до 0,7 м. В любом
случае при использовании полосковой линии возможно проведение
испытаний лишь относительно малых объектов. Кроме того, в
полосковой линии существует верхний предел рабочих частот,
равный 150 — 200 МГц. На более высоких частотах расстояние между
пластинами превышает половину длины волны и параметры линии
передачи становятся комплексными, что приводит к изменениям
поля. Следовало бы продумать возможность использования
полосковой линии для испытаний на устойчивость к радиочастотному
222 Испытания на помехоустойчивость
полю на частотах ниже 200 МГц (если необходимо, то до частот, те.
оретически, соответствующих постоянному току), с одновременны^
применением биконической антенны для испытаний на частота^
выше 200 МГц. Это позволило бы преодолеть трудности, связанны^
с непригодностью биконической антенны для испытаний на
помехоустойчивость на низких частотах. Требования к подводимой мощ„
ности для обеспечения напряженности поля 10 В/м не превышают
для полосковой линии нескольких ватт.
Особенностью испытаний на помехоустойчивость с
использованием полосковой линии является то, что подключенные к ИО кабели
пропускаются непосредственно через одну из пластин и поэтому под.
вергаются воздействию испытательного электромагнитного поля на
расстоянии не больше, чем несколько сантиметров. Следовательно,
при испытаниях в полосковой линии электромагнитное поле
воздействует только на корпус ИО и для полной проверки
помехоустойчивости ИО необходимо, кроме указанных испытаний, подавать
также общие несимметричные токи и напряжения на кабели. Кроме
того, необходимо изменять ориентацию ИО в трех ортогональных
плоскостях с тем, чтобы определить направление максимальной
восприимчивости.
ТЕМ-камеры
Альтернативным по отношению к полосковой линии методом
испытаний образцов ИО малых размеров и на низких частотах
является применения ТЕМ-камеры (называемой также камерой Крофор-
да). В указанном устройстве испытательное электромагнитное поле
создается внутри полностью закрытой линии передачи, и внутри
указанной линии размещается также испытуемое оборудование.
ТЕМ-камера, в сущности, представляет собой полосковую линию с
параллельными пластинами, одна из которых расширена таким
образом, что полностью окружает другую. Или вы можете
рассматривать ТЕМ-камеру как экранированное помещение, образующее одну
половину линии передачи, в то время как внутренняя пластина,
размещенная между стенами, образует вторую половину.
Преимуществами ТЕМ-камеры, так же как и полосковой линий,
являются ее малые размеры, малая стоимость и отсутствие
необходимости в подаче в камеру значительной мощности; указанная
камера легко может быть использована в лаборатории в процессе
разработки изделия. Недостатком ТЕМ-камеры является
необходимость устройства окна в стенке камеры, если в процессе испытаний
требуется наблюдать за функционированием ИО, например, за
ЭМС для разработчиков продукции 223
заботой телевизионного приемника или измерительного прибора.
ГБМ-камера в отличие от полосковой линии не столь пригодна для
самостоятельного изготовления. Как и полосковая линия, ТЕМ-ка-
мера может быть использована для испытаний только небольших
аппаратов (с размерами, не превышающими одну треть размеров
внутреннего объема камеры, см. таблицу 4.1) и имеет в такой же
зтепени ограниченную сверху полосу рабочих частот. Бели общие
размеры ТБМ-камеры увеличиваются для того, чтобы осуществлять
испытания ИО больших размеров, то верхняя граничная частота
испытаний уменьшается в прямой пропорции.
Таблица 4.1 Размеры ТЕМ-камеры и рабочая полоса частот
Размер камеры, см
30,5
61
91,5
122
183
Максимальные размеры ИО (Ш х Д х В), см ' Полоса частот
15x15x5
20x20x7,5
30,5x30,5x10
40,5x40,5x15
61x61x20
0 - 500 МГц
0 - 300 МГц
0 - 200 МГц
0 - 150 МГц
0 -100 МГц
Гигагерцевая ТЕМ-камера
В гигагерцевой ТЕМ-камере [63, 72] некоторые из указанных
выше недостатков преодолены, что обещает получение достаточно
точных результатов испытаний при самой низкой стоимости.
Ограничение сверху полосы рабочих частот устраняется за счет того, что
передающая линия сужается к одному из концов и имеет на другом
конце нагрузку, представляющую собой комбинацию из резистив-
ной нагрузки постепенно изменяющейся формы, работающей на
низких частотах и радиочастотного поглощающего материала,
работающего на высоких частотах. Это позволяет даже большие
ТЕМ-камеры с высотой рабочего объема до 1,75 м, а
потенциально и еще больше, сконструировать таким образом, чтобы верхний
предел используемой полосы рабочих частот превышал 1 ГГц
(отсюда наименование «гигагерцевая» ТЕМ-камера (GTEM). Внешний
вид такого устройства отчасти напоминает пирамиду, положенную
на бок. Использование указанных устройств для испытаний на по-
мехоэмиссию уже обсуждалось в разделе 3.1.2.8.
Гигагерцевая ТЕМ-камера имеет очевидные преимущества при
проведении испытаний на помехоустойчивость, так как при ее
использовании возможно проведение испытаний во всей
установленной полосе частот путем непрерывной перестройки частоты, и
224
Испытания на помехоустойчивость
при этом нет необходимости в экранированном помещении или в
усилителе большой мощности, поскольку эффективность указанной
ТЕМ-камеры много выше, чем у антенны. Как и в случае
применения других ТЕМ-камер, испытуемое оборудование должно быть
подвергнуто воздействию испытательного электромагнитного поля при
нескольких ортогональных ориентациях, причем особое внимание
должно быть обращено на расположение кабелей. Особенностью
ТЕМ-камер является намеренно поперечный характер
электромагнитного поля, хотя в [62] было показано, что на некоторых частотах
электромагнитное поле в гигагерцевой ТЕМ-камере включает
значительные продольные компоненты (рис. 4.6). Амплитуды и частоты
этих продольных компонентов зависят от размера камеры и
положения точек их измерения вдоль длины камеры. На рис. 4.6 кривая
0.0 м соответствует положению точки измерения напротив окна в
стенке камеры, кривая -1.0 м соответствует расположению точки
Продольный кросс-поляризационный
компонент в GTEM-17 50
■5
Частота, МГц
Рис. 4.6 Продольные компоненты электромагнитного поля в гигагерцевой
ТЕМ-камере (в дБ по отношению к поперечному компоненту)
Источник: [62] © Crown Copyright 2000 Воспроизведено с разрешения Controller of
HMSO
измерения на 1 м ближе к поглотителю, а кривая + 1.0 м —
расположению на 1 м ближе к вершине ТЕМ-камеры. Существование
ориентированного таким образом электромагнитного поля означает, что
если напряженность электромагнитного поля контролируется
только применительно к первичной (вертикальной) компоненте поля, то
существует вероятность, что на определенных частотах испытуемое
оборудование будет подвергаться воздействию поля повышенной на-
ЭМС для разработчиков продукции 225
пряженности или по крайней мере возможны изменения указанной
напряженности.
Преимущества гигагерцевой ТЕМ-камеры являются, таким
образом, настолько заманчивыми, особенно учитывая возможность
проводить все радиочастотные испытания в области ЭМС с
использованием одной-единственной относительно недорогой установки
(стоимость 50 000 фунтов стерлингов), что значительные ресурсы были
привлечены к демонстрации эффективности таких ТЕМ-камер и к
тому, чтобы склонить органы по стандартизации к принятию метода
испытаний с использованием гигагерцевых ТЕМ-камер в качестве
альтернативного в области ЭМС. В период написания настоящей
книги были распространены два проекта: расширенное изменение к
стандарту МЭК 61000-4-3, предусматривающее использование ТЕМ-
камер и гигагерцевых ТЕМ-камер при осуществлении испытаний
на помехоустойчивость, и проект нового международного стандарта
МЭК 61000-4-20, который предусматривает проведение как
испытаний на помехоэмиссию, так и испытаний на помехоустойчивость с
использованием гигагерцевых ТЕМ-камер. Большая часть работ по
подготовке этих проектов включала поиск приемлемых решений
рассмотренных выше проблем обеспечения однородности
испытательного поля и размещения кабелей, подходящих к испытуемому
оборудованию, постоянно возникающих при использовании
существующих методов испытаний в экранированных камерах.
4.1.2 Установки
Испытания на устойчивость к радиочастотному
электромагнитному полю, подобно испытаниям на соответствие нормам
излучаемых радиопомех, не могут быть легко проведены в том месте, где
производится конструирование изделия. Чтобы осуществить такие
испытания, необходима сложная установка, занимающая
значительную площадь вне места разработки опытного образца изделия
(указанная установка может быть размещена на той же площади,
где проводятся испытания на помехоэмиссию). Эта испытательная
установка включает оборудование для создания испытательного
электромагнитного поля и, что наиболее важно, включает
экранированное помещение.
4.1.2.1 Экранированное помещение
Испытания на устойчивость к радиочастотному
электромагнитному полю, частота которого изменяется в широких пределах,
установленных в соответствующих стандартах ЭМС, следует про-
226 Испытания на помехоустойчивость
водить в экранированных помещениях для того, чтобы выполнить
национальные предписания, касающиеся защиты различных
радиослужб от радиопомех. Рекомендуемое качество экранирования
должно быть таким, чтобы было обеспечено затухание по меньшей
мере 100 дБ в полосе частот от 10 МГц до 1 ГГц [143]. При этом
напряженность поля внутри помещения, равная 10 в/м, будет
уменьшена снаружи камеры до уровня менее чем 40 дБ (мкВ/м). Величина
затухания электромагнитного поля при экранировании зависит от
метода конструирования экранированного помещения таким же
образом, как и для экранированных кожухов оборудования (см.
раздел 8.3). Часто вполне возможен обмен стоимости в зависимости от
соотношения между эффективностью экранирования и сложностью
конструкции, но высококачественное экранированное помещение
имеет в типичном случае модульную конструкцию и может быть
изготовлено из панелей, представляющих собой «сэндвичи» из стали
и дерева, соединенные друг с другом электросваркой или с помощью
болтов. В вентиляционных отверстиях должны быть использованы
сотовые решетки; помещение не должно иметь окон. Электрические
кабели, входящие в камеру, должны быть оборудованы фильтрами.
Электрическое освещение должно использовать лампы
накаливания, так как люминесцентные лампы являются источниками
широкополосных электромагнитных помех. Критическое значение имеет
конструкция входной двери. Как правило, дверь должна иметь ряд
двойных контактов, расположенных вокруг двери, действующих
по принципу «нож — край», сконструированных с использованием
«пальцев» из бериллиевой медной ленты.
Помимо того, что экранированное помещение изолирует место
проведения испытаний, оно должно также защитить измерительное
и вспомогательное оборудование от воздействия радиочастотного
электромагнитного поля. Соединительные кабели, выходящие из
экранированного помещения, должны быть соответствующим
образом экранированы и обеспечены помехоподавляющими
фильтрами. В экранированных помещениях часто используют заменяемые
объемные вспомогательные панели, на которых установлены
радиочастотные соединители и снабженные фильтрами соединители для
силовых и сигнальных кабелей. Это особенно важно для
испытательных лабораторий, в которых заказчики испытаний могут
потребовать применения сигнальных и силовых кабелей различных
видов, каждый из которых должен быть при испытаниях снабжен
соответствующим фильтром. Помимо испытаний на устойчивость к
радиочастотному электромагнитному полю, использование экрани-
ЭМС для разработчиков продукции
227
рованного помещения полезно также при проведении других
испытаний в области ЭМС, так как оно обеспечивает хорошее эталонное
заземление и представляет собой спокойную в электромагнитном
отношении зону. Особенности оборудования типичного
экранированного помещения иллюстрированы на рис. 4.7.
Сотовые вентиляционные
решетки с наружным
вентиляторами
главная испытательная камера
вспомогательная
камера 2
съемные фильтры и/или
наблюдательное окно
шкаф с радиочастотным
испытательным оборудованием
Рис. 4.7 Типичное оборудование экранированного помещения
Резонансы в помещении и однородность испытательного
поля
В экранированном помещении, не оборудованном
радиопоглощающим материалом, напряженность испытательного
электромагнитного поля имеет пиковые значения и провалы на частотах,
определяемых размерами помещения. Частоты резонансов будут тем ниже,
чем больше размеры экранированного помещения. Это явление
обсуждается также в разделе 8.3.3, причем низшая резонансная
частота может быть определена с помощью выражения (8.6). Для
экранированного помещения размерами 2,5 х 2,5 х 5 м эта частота, в
соответствии с (8.6), равна 70 МГц.
Для того чтобы подавить эти резонансы, экранированная
комната может быть покрыта радиопоглощающим материалом, обычно
пенопластом с включением углерода, плитам из которого придается
пирамидальная форма. В результате отражения от стен
уменьшаются. Экранированное помещение, в котором все стены, пол и потолок
покрыты радиопоглощающим материалом, называют «безэховым»;
если пол оставлен отражающим, то экранированное помещение
называют ♦полубезэховым». Радиопоглощающий материал та-
228 Испытания на помехоустойчивость
кого рода является достаточно дорогостоящим (полное покрытие
указанным материалом увеличивает стоимость экранированного
помещения более чем в два раза) и во многих случаях теряет свою
эффективность на частотах ниже 200 мгц, хотя прогресс в создании
радиопоглощающих материалов и улучшает это положение. На
более низких частотах необходимо применять пирамиды из радио-
поглощающего материала очень большого размера, что может до
неприемлемой степени уменьшить полезный объем безэхового
помещения. Измерения, проводимые в полосе частот 30 — 200 МГц,
могут, следовательно, сопровождаться очень большой (порядка 30
— 40 дБ) неопределенностью на частотах резонансов, а также не
будут воспроизводимыми, так как небольшие изменения
местоположения антенны или испытуемого оборудования приводят к
значительным изменениям распределения поля в помещении. Результаты
рассмотрения в главе 3 вопросов, относящихся к испытаниям на
помехоэмиссию в экранированных помещениях, применимы здесь
в полной мере (пример частотной характеристики экранированного
помещения, недостаточно покрытого радиопоглощающим
материалом, приведен на рис. 3.14).
В качестве альтернативы радиопоглощающему материалу из
пенопласта пирамидальной формы возможно покрытие стен
экранированного помещения ферритовыми плитами или ферритовой
сеткой. Эти материалы в настоящее время широко распространены,
и их применение может обеспечить исключительно хороший
результат при подавлении резонансов помещения. Однако ферриты также
являются дорогостоящими и, кроме того, их значительный вес
приводит к возникновению новых проблем, связанных с укреплением
плит из феррита на стенах и потолке и обеспечением механической
прочности несущей конструкции помещения. Размещение
поглощающих блоков из пенопласта в точках максимумов напряженности
электрического поля внутри помещения и плит из феррита в точках
максимумов тока на стенах помещения позволяет, как показано в
[29, 56], уменьшить эффект резонансов при относительно малых
затратах. Этот метод может быть рекомендован для проведения пред-
сертификационных испытаний при условии, что имеется
экранированная камера, покрытие которой радиопоглощающим материалом
связано со слишком большими затратами.
Однородность испытательного поля
Негативное влияние резонансов в экранированном помещении
заключается в том, что они приводят к возникновению во всем объ-
ЭМС для разработчиков продукции 229
еме помещения стоячих волн испытательного электромагнитного
поля. На высоких частотах указанные стоячие волны вызывают
существенные изменения напряженности испытательного поля даже в
таком относительно малом объеме, который занимает ИО. Для того
чтобы практически измерить эффективность покрытия
экранированного помещения радиопоглощающим материалом и осуществить
калибровку напряженности испытательного поля, которое будет
использоваться при проведении реальных испытаний, в стандарте
МЭК 61000-4-3 установлена процедура измерений однородности
поля, проводимых в 16 точках измерительной сетки в «плоскости
однородного поля». Измерения проводятся при отсутствии
испытательного оборудования и при расположении измерительной сетки
в положении, совпадающем с положением лицевой стороны ИО.
Отклонения напряженности поля по крайней мере в 75% точек
измерения (т.е. в 12 точках из 16) должны быть в пределах от — 0 дБ
до + 6 дБ от установленной величины, хотя допускаются
отклонения более + 6 дБ; в этом случае отклонения должны быть отражены
в протоколе испытаний. Несимметричный способ установления
допустимых отклонений принят для того, чтобы напряженность
применяемого испытательного поля никогда не была меньше
установленной величины; но это также означает, что при испытаниях
возможно превышение установленной напряженности поля в два
раза. Геометрические соотношения при измерениях однородности
поля в соответствии с рекомендуемой процедурой иллюстрированы
на рис. 4.8. Применяемая при измерениях процедура еще будет
совершенствоваться по мере накопления опыта ее практического
применения, так что можно ожидать принятия дальнейших изменений
к стандарту МЭК 61000-4-3.
1.5м
0.5м
f *-.
с, I "плоскость однородного
I A $**"''поля", совпадающая с
f *#*?' i^v *t передней стороной ИО
I .* "t * j>J равноудаленные позиции
г-.—*,. ^. *а — ^ датчика поля
0.8м
пол
Рис. 4.8 Измерение однородности поля в соответствии с МЭК 61000-4-3
230 Испытания на помехоустойчивость
4.1.2.2 Вспомогательное оборудование
Для проведения испытаний на устойчивость к излученным
электромагнитным полям помимо радиочастотного испытательного
оборудования, подробные сведения о котором приведены в разделе
4.1.1, вам будет необходим определенный комплект
вспомогательного оборудования. В составе современной испытательной установки
обычно применяется вычислительная техника, обеспечивающая
управление средствами испытаний и сбор и накопление данных.
Необходимо применение различных испытательных
приспособлений и устройств, в зависимости от вида испытуемого оборудования
и требований применяемого стандарта. Кроме того, необходимы
определенные средства связи между внутренним помещением
экранированной комнаты и внешним миром. Эти средства связи могут
представлять собой оборудование кабельного телевидения,
аппаратуру громкоговорящей связи или волоконно-оптическую линию.
К вспомогательному оборудованию, размещаемому вне
экранированного помещения, относятся также все устройства, необходимые
для обеспечения функционирования ИО в процессе испытаний. Как
правило, испытательные лаборатории ЭМС имеют два
вспомогательных экранированных помещения, примыкающих к главному
помещению, в котором проводятся испытания. В одном из этих
вспомогательных помещений размещаются радиочастотные
средства испытаний, в другом — оборудование, обеспечивающее
функционирование ИО в процессе испытаний. Если уровень внешних
помех невелик и радиочастотное испытательное оборудование само
по себе является достаточно экранированным, то в указанных двух
дополнительных экранированных помещениях при проведении
испытаний в области ЭМС нет необходимости.
4.1.3 Методы испытаний
Как и при испытаниях на соответствие нормам излученных
радиопомех, главной задачей стандартизованного метода испытаний
на помехоустойчивость является обеспечение воспроизводимости
испытаний. Испытания на помехоустойчивость достаточно сложны,
поскольку не предусматривают применения установленного порога
при принятии решения: проходит — не проходит. Вместо этого на
испытательное оборудование подается помеха достаточно
определенного (как можно надеяться) уровня, и отклик ИО фиксируется.
Главное внимание в процедуре испытаний уделяется тому, чтобы
обеспечить, насколько возможно, постоянство уровня подаваемой
ЭМС для разработчиков продукции 231
помехи, а также постоянство характеристик средств испытаний, с
помощью которых осуществляется подача помехи.
4.1.3.1 Предварительная проверка
вДля того чтобы определить конфигурацию, при которой ИО
является наиболее восприимчивым, а также установить его режим
функционирования, вам необходимо будет провести некоторые
предварительные испытания. Если вы надеетесь на то, что
испытания на соответствие будут проведены с достаточным запасом,
то необходимо осуществить воздействие на ИО испытательного
электромагнитного поля значительно большей напряженности, чем
установлено, с тем, чтобы умышленно вызвать нарушение
функционирования ИО. С точки зрения испытателя можно предполагать,
что при произвольном размещении ИО и при произвольном режиме
его функционирования существует некоторая частота и некоторый
уровень испытательного поля, при которых работа ИО будет
нарушена. Указанные параметры помехи будет легче обнаружить, если ИО
имеет некоторые аналоговые функции, нарушение которых можно
будет обнаружить при меньших уровнях испытательного поля, чем
это имело бы место, если ИО является полностью цифровым
устройством. В последнем случае ИО будет продолжать нормально работать
до тех пор, пока уровень помехи не превышает вполне определенное
пороговое значение, после чего функционирование ИО полностью
прекращается.
Если точка восприимчивости найдена, вы можете изменять
ориентацию ИО, расположение кабелей, схему заземления,
поляризацию антенны для того, чтобы обнаружить минимальный уровень
испытательного поля, при котором функционирование ИО на
данной частоте нарушается. Подобно этому могут быть также изменены
режимы функционирования ИО с тем, чтобы обнаружить режим,
при котором изделие имеет наибольшую восприимчивость. Часто
имеет смысл использовать специальное программное обеспечение
для того, чтобы обеспечить продолжительное функционирование
ИО в режиме наибольшей восприимчивости, если длительное
функционирование в этом режиме не предусмотрено при нормальной
эксплуатации аппарата. Отметим, что при некоторых изменениях
точка восприимчивости ИО может быть сдвинута на другую
частоту, так что вам следует всегда повторять полный цикл перестройки
частоты испытательного поля после завершения любой точной
настройки на определенной частоте.
232 Испытания на помехоустойчивость
4.1.3.2 Испытания на соответствие
Если конфигурация, при которой ИО обладает наибольшей
восприимчивостью, обнаружена, ее следует установить и постоянно
поддерживать при проведении испытаний на соответствие.
Изменения конфигурации, допущенные в процессе испытаний,
лишат испытания на соответствие законной силы. Если существует
несколько конфигураций, при которых ИО обладает наибольшей
восприимчивостью, испытания на соответствие должны быть
последовательно проведены применительно к каждой из указанных
конфигураций. При этом оборудование всегда следует испытывать
при условиях возможно более близких к условиям его типового
применения и установки. Подключение оборудования к электрической
сети, размещение кабелей должно быть таким же, как при
нормальной эксплуатации. Должны быть установлены на место заглушки и
съемные кожухи. Если условия расположения кабелей не
установлены, необходимо подвергать воздействию внешнего поля отрезки
кабелей длиной 1 м. Если ИО относится к напольному оборудованию
(как стойка или шкаф), при испытаниях оно должно быть
размещено на полу, но его следует изолировать от пола путем установки на
деревянной подставке. Антенна, как правило, будет расположена на
расстоянии не меньше 1 м от ИО, возможность размещения антенны
на большем расстоянии зависит от способности оборудования
создавать испытательное электромагнитное поле необходимой
напряженности; предпочтительное расстояние антенны от ИО составляет 3 м.
Слишком близкое расположение антенны к ИО нарушает
однородность создаваемого электромагнитного поля, и, кроме того,
вследствие взаимной связи между антенной и ИО нарушается основное
условие применения метода замещения.
Основное требование к проведению испытаний на соответствие
будет заключаться в том, чтобы обеспечить установленную степень
жесткости испытаний при перестройке во всей полосе частот. Это
должно быть обеспечено путем использования датчиков
напряженности испытательного электромагнитного поля или применения
методов управления, рассмотренных в разделе 4.1.1.3. При
перестройке частоты необходимо осуществлять непрерывный мониторинг
параметров, выбранных для проверки функционирования ИО. Для
этого предпочтительно использовать систему автоматического сбора
и анализа данных, хотя наиболее распространенным инструментом
мониторинга все еще остается глаз инженера.
Предполагая, что правильное функционирование ИО не
нарушается при перестройке частоты испытательного поля, т.е. ИО выдер-
ЭМС для разработчиков продукции 233
живает испытания на соответствие, полезно определить запас
устойчивости оборудования к помехе в точке (точках) восприимчивости.
Вы можете установить указанный запас устойчивости, осуществляя
перестройку частоты испытательного поля при последующей
степени жесткости испытаний и фиксируя реакцию испытуемого
оборудования. Это позволит, с одной стороны, оценить возможные
допуски при изготовлении продукции, а с другой стороны, определить
возможности уменьшения стоимости изделия за счет исключения
определенных помехоподавляющих компонентов.
4.1.3.3 Скорость перестройки частоты
При оценке качества функционирования ИО критическое
значение может иметь скорость перестройки частоты испытательного
электромагнитного поля. В соответствии с требованиями
стандартов генератор сигналов должен либо иметь возможность ручной или
автоматической перестройки частоты в полосе частот испытаний
со скоростью не более 1,5 • 10 3 декада/с (в зависимости от времени
реакции испытуемого оборудования), либо иметь возможность
шаговой перестройки частоты в установленной полосе при величине
шага, составляющей, как правило, 1%, т.е. при условиях, когда
значение каждой частоты испытаний должно превышать пре-дыдущее
значение в 1,01 раза (последовательные изменения величины шага
частоты имеют логарифмический характер). Время воздействия
испытательного поля на ИО при шаговой перестройке частоты должно
быть не менее времени, необходимого для проверки реакции ИО.
Замедленная реакция ИО непосредственно приводит к увеличению
времени испытаний. Например, время шаговой перестройки
частоты в полосе 80 — 1000 МГц при величине шага частоты 1% и
времени воздействия испытательного поля на ИО на каждой частоте 3 с,
составит 12,7 мин.
Многие системы могут быть мало восприимчивыми к скорости
перестройки частоты испытательного электромагнитного поля, так
как их реакция на воздействующую радиочастотную помеху имеет
тенденцию проявляться в широкой полосе частот. Обычно
функционирование указанных систем нарушается в результате
структурных резонансов или резонансов за счет механизмов связи, которые
характеризуются малой добротностью и, следовательно, полосой
частот, составляющей несколько МГц. С другой стороны, наличие
в ИО функций, связанных с чувствительностью на некоторых
частотах, может привести к значительной зависимости результатов
испытаний от скорости перестройки частоты испытательного поля,
234 Испытания на помехоустойчивость
так как отклики на помеху могут проявляться в указанном
оборудовании только на вполне определенных частотах. Такой случай
возможен, например, при испытаниях аналогово-цифрового
преобразователя, работающего при фиксированной тактовой частоте.
Функционирование указанного преобразователя может быть
нарушено при воздействии испытательного поля на некоторых частотах,
близких к тактовой частоте. Бели скорость прохождения этих
частот при непрерывной перестройке слишком велика (или шаг
перестройки частоты выбран слишком большим), отклик испытуемого
оборудования может быть пропущен. Устойчивость оборудования к
радиочастотному электромагнитному полю при откликах,
проявляющихся в узкой полосе частот, на 25 — 30 дБ меньше, чем при
откликах, проявляющихся в широкой полосе частот. Таким образом,
необходимо знать некоторые особенности функционирования и
конструкции испытуемого оборудования, так как в противном случае
необходимо будет применять значительно более сложную процедуру
испытаний.
4.1.3.4 Обеспечение безопасности
При напряженности, не намного превышающей значения,
установленные в ряде стандартов в области помехоустойчивости,
существует возможность биологической опасности воздействия
испытательного радиочастотного электромагнитного поля на операторов,
если они достаточно долго находятся в зоне облучения. По этой
причине предусмотрительные испытательные лаборатории не
разрешают своим сотрудникам, проводящим испытания, находиться внутри
экранированной камеры во время излучения электромагнитного
поля, что обуславливает необходимость применять при испытаниях
оборудования некоторых видов различные устройства
дистанционного мониторинга, например системы кабельного телевидения.
В разных странах действуют различные предписания,
касающиеся вопросов здравоохранения и безопасности. Во время написания
настоящей книги в Соединенном Королевстве не существовало обя
зашельных требований, относящихся к максимально допустимому
воздействию на человека радиочастотного электромагнитного поля
однако Национальным Советом по радиологической защите (НСРЗ
было опубликовано Руководство, относящееся к этой проблем
[174], и с точки зрения потенциальной угрозы здоровью и безопас
ности было бы желательно требовать от каждого предпринимател
выполнения, по крайней мере, положений указанного Руководств!
В 1998 г. Международной комиссией по защите от неионизирующи
ЭМС для разработчиков продукции 235
излучений (МКЗНИ) было опубликовано собственное Руководство
[175], устанавливающее уровни допустимого воздействия
радиочастотных излучений. Руководство МКЗНИ для гражданского
населения было включено в Рекомендации Европейского совета, изданные
в 1999 г., с которыми согласились, в принципе, все государства
— члены ЕС, включая Соединенное Королевство.
В Руководствах, опубликованных НСРЗ и МКЗНИ, приняты во
внимание известные термические и электрошоковые эффекты
воздействия радиочастотных электромагнитных полей. В них не
рассмотрены возможные нетермические эффекты, изучение которых
связано со значительной полемикой, и применительно к которым
устойчивые требования еще не определены. Руководство,
опубликованное НСРЗ [174], включает предельные уровни непрерывно
воздействующих электромагнитных полей, применимые при
профессиональной деятельности (неприменимые для детей), в полосе
частот, которая представляет интерес для испытаний на
помехоустойчивость. Указанные уровни приведены в таблице 4.2.
Соответствующие требования для гражданского населения, содержащиеся
в Руководстве МКЗНИ, являются более жесткими.
Таблица 4.2 Максимально допустимые уровни напряженности электромагнитного
поля, установленные в Руководстве НСРЗ
Полоса частот
10 - 60 МГц
60 - 137 МГц
137- 1100 МГц
1 1 - 1 55 ГГц
1,55 - 300 ГГц
. .
Напряженность поля
(среднеквадратическое значение)
60 В/м
1000 F(ГГц) В/м
137 В/м
125 F(ГГц) В/м
194 В/м
4.1.3.5 Испытания на помехоустойчивость в малых интервалах
частот
Существует много компаний, которые считают, что они не в
состоянии позволить себе расходы по созданию полной испытательной
установки для испытаний оборудования на устойчивость к
радиочастотному электромагнитному полю, как указано в разделе 4.1.2,
включая экранированное помещение. Одна из возможностей
упростить испытания на помехоустойчивость основывается на
ограничении полосы частот испытаний «частотами свободного излучения»,
выделенными в соответствии с международными соглашениями,
Испытания на помехоустойчивость
применительно к которым уровень электромагнитной эмиссии не
ограничен. Эти частоты, предназначенные на первичной основе
для работы промышленных, научных и медицинских устройств,
приведены в таблице 1.1. Другая возможность, используемая
некоторыми фирмами, основывается на использовании полос частот,
подходящих для проведения испытаний на помехоустойчивость,
применяемых в службах лицензированной любительской
радиосвязи, в том числе в радиолюбительских диапазонах 30 МГц, 50 МГц,
70 МГц, 144 МГц и 432 МГц (хотя деятельность по испытаниям, при
правильной интерпретации, находится вне области
радиолюбительской лицензии). Еще одна возможность основывается на
использовании радиопередач сотовых радиотелефонов для проверки
устойчивости оборудования при воздействии таких сигналов.
В каждом таком случае использование определенных частот
исключает необходимость в экранированном помещении,
предназначенном для защиты соответствующих радиослужб от помех. При
проведении всех этих специально подготовленных испытаний
необходимо использовать, по крайней мере, измеритель напряженности
поля, чтобы убедиться в том, что электромагнитное поле
действительно воздействует на ИО. При этом необходимо иметь в виду, что
напряженность радиочастотного поля вблизи передающей антенны
будет испытывать значительные колебания при небольшом
изменении расстояния между антенной и ИО. Если реакция ИО на
воздействующую радиочастотную помеху проявляется в широкой полосе
частот, то испытания на отдельной частоте могут обеспечить
адекватную оценку устойчивости оборудования, но такие условия
встречаются редко. Обычно резонансы в цепях связи усиливают помеху
на одних частотах и ослабляют на других даже при широкополосной
реакции аппаратуры. Следовательно, при проведении испытаний
только на дискретных частотах вполне возможна оптимистическая
оценка устойчивости оборудования к радиочастотному
электромагнитному полю, так как резонансные пики могут находиться между
указанными дискретными частотами. Испытания на соответствие
должны всегда проводиться при перестройке испытательного поля
во всей полосе частот.
Испытания при воздействии переходных помех
На практике было обнаружено, что для многих цифровых
устройств способность функционировать в условиях
электростатических разрядов и переходных электромагнитных помех хорошо
коррелируется с их высокой устойчивостью к радиочастотному
ЭМС для разработчиков продукции 237
электромагнитному полю, в то время как восприимчивые цифровые
устройства имеют тенденцию быть чувствительными к
электромагнитным помехам обеих видов. Поэтому разработка многих
изделий может осуществляться с учетом результатов их испытаний
на.устойчивость к переходным электромагнитным помехам,
проведение которых является более простым и требует меньших затрат
времени, чем проведение испытаний на устойчивость к
радиочастотному электромагнитному полю. Следует также учитывать, что
переходные помехи широкополосны по своей природе. Что касается
аналоговых устройств, то осуществление для них соответствующих
испытаний на устойчивость к электромагнитному полю является
необходимым во всех случаях, так как изменения напряжения на
выходе демодулятора, вызванные воздействием радиочастотной
помехи, не могут быть имитированы при воздействии помехи
переходного характера. В целом при осуществлении минимального числа
испытаний на устойчивость к переходным помехам вместе с
испытаниями на устойчивость к радиочастотному полю на отдельных ча-
зтотах вы можете получить адекватную оценку помехоустойчивости
лзделия на стадии разработки.
1.1.4 Устойчивость к радиочастотным кондуктивным
помехам
Вследствие трудностей проведения испытаний на устойчивость к
эадиочастотным электромагнитным полям и связанных с этим
расходов, существует возрастающее стремление признать
правомочными испытания на устойчивость к радиочастотным кондуктивным
помехам на низких частотах, аналогично тому, как при испытаниях
ча помехоэмиссию были разграничены испытания на соответствие
нормам излучаемых и кондуктивных помех. Метод испытаний на
устойчивость к радиочастотным кондуктивным помехам установлен
в основополагающем стандарте МЭК 61000-4-6, и в настоящее время
зсылки на этот стандарт вводятся в пересматриваемые общие
стандарты и стандарты на группы однородных изделий. В стандарте
помехоустойчивости ЕН 55020, применяемом для радиовещательных
приемников и телевизоров, также установлены методы испытаний
на устойчивость к воздействию радиочастотных токов и
напряжений. Метод «инжекции объемного тока», разработанный в
аэрокосмической и военной промышленности для испытаний компонентов
аэрокосмических систем, принятый в настоящее время для
испытаний компонентов автотранспортных средств, представляет собой
еще один пример подобных методов (см. также раздел 5.3.1.2).
238 Испытания на помехоустойчивость
4.1.4.1 Методы связи
В стандарте МЭК 61000-4-6 установлены три метода связи.
Предпочитаемый метод связи заключается в непосредственном
вводе напряжения помехи через устройство связи/развязки (УСР).
Альтернативный метод, основанный на использовании токовых
клещей связи, достаточно прост, но токовые клещи связи вносят
гораздо большее затухание и, соответственно, требуют существенно
большей мощности для ввода помехи равного уровня. Среднее
положение между вышеуказанными методами занимает метод ввода
помехи с использованием электромагнитных клещей связи, которые
представляют собой ферритовые клещи, внешне напоминающие
поглощающие клещи MDS-21, изображенные на рис. 3.10, но заметно
отличающиеся от них по конструкции. В указанных клещах связи
осуществляется воздействие на кабель как электрического, так и
магнитного поля. Электромагнитные клещи связи более
эффективны, чем токовые клещи связи, но менее эффективны, чем УСР.
При испытаниях на помехоустойчивость с использованием
любого метода ввода радиочастотной кондуктивной помехи в кабель
необходимо, чтобы общее несимметричное сопротивление кабеля
на его конце, противоположном ИО, было фиксированным.
Поэтому для кабеля каждого вида должно быть в наличии общее
несимметричное устройство развязки (устройство стабилизации
общего несимметричного сопротивления), подключаемое к кабелю.
Устройство развязки не только обеспечивает необходимое общее
несимметричное сопротивление, но одновременно изолирует
любое вспомогательное оборудование от воздействия радиочастотного
тока, протекающего по кабелю (в этом отношении устройство
развязки аналогично эквиваленту сети, применяемому при
испытаниях на помехоэмиссию, сведения о котором приведены в разделе
3.1.2.3). К сожалению, технические требования к эквиваленту сети
не совпадают с требованиями к устройству развязки, применяемому
при испытаниях на устойчивость к кондуктивным радиочастотным
помехам, в результате чего для этих целей необходимо использовать
различные устройства. При использовании метода связи с
непосредственным вводом напряжения помехи необходимо, чтобы УСР,
помимо функции развязки, использовалось также для ввода напряжения
помехи в кабель. Это усложнение не требуется, если используется
метод ввода тока помехи с помощью токовых клещей связи.
Испытательная лаборатория, использующая эти методы связи, должна, о
учетом разнообразия кабелей и сигналов различных видов, иметь i
наличии большой комплект УСР, которые могут применяться с исг
ЭМС для разработчиков продукции
239
пытуемым оборудованием. Если ваша компания производит
оборудование, в котором используются кабели преимущественно одного
или двух видов, например, для подключения к электрической сети
и для обеспечения одноканальной линии данных RS — 232, то
требование иметь в наличии УСР двух видов не является
обременительным. Общая схема испытаний на устойчивость к радиочастотным
кондуктивным помехам показана на рис. 4.9.
источник сигналов
индикатор уровня
помехи
Устройства развязки/
стабилизации общего
несимметричного
сопротивления
(применяются на всех
кабелях, не подвергаемых
испытаниями)
\
Вспомогательные
устройства или
источники полезного
тока
Рис. 4.9 Установка для испытаний на устойчивость к радиочастотным кондуктивным
помехам
4.1.4.2 Недостатки и ограничения
Главным преимуществом испытаний на устойчивость к
радиочастотным кондуктивным помехам является то, что для их
проведения не требуется дорогостоящая испытательная установка с
использованием безэхового экранированного помещения. Однако
метод указанных испытаний имеет определенные недостатки.
Особое сомнение вызывает точность воспроизведения реальной
обстановки при испытаниях в том случае, когда к ИО одновременно
подключены несколько кабелей. Если целая система
подвергается облучению, то радиочастотные токи будут наводиться во всех
кабелях одновременно. Однако в большинстве методов испытаний
на устойчивость к радиочастотным кондуктивным помехам
предусматривается, что помеху в каждый момент времени вводят только
в один кабель, подключенный к ИО. Все остальные кабели
представляют собой фиксированные общие несимметричные нагрузки,
240 Испытания на помехоустойчивость
присоединенные к портам ИО, и для этой цели к каждому из кабелей
подключается дополнительное устройство развязки/стабилизации
общего несимметричного сопротивления. Устройства ввода помех
в кабели, которые могут быть применены одновременно с многими
линиями передачи сигналов, требуют значительных затрат при
изготовлении, занимают большой объем и могут неблагоприятно
воздействовать на характеристики линий. Метод испытаний,
следовательно, менее всего пригоден для оборудования, имеющего большое
число одновременно подключенных кабелей.
Ввод помехи с использованием токовых клещей связи имеет
существенные преимущества перед использованием УСР, поскольку при
этом исключается вмешательство в схему соединений. Клещи связи
просто охватывают кабель для ввода общего несимметричного тока
помехи; непосредственное соединение с кабелем не требуется. Это
делает применение токовых клещей связи весьма привлекательным
в случае, когда кабель содержит много проводников. Недостатком
токовых клещей связи, однако, является распределенная емкость
между клещами и кабелем, величина которой не
регламентирована. Наличие распределенной емкости ограничивает используемую
полосу частот испытаний, так как на высоких частотах указанная
емкость оказывает серьезное влияние как на индуктивную связь
клещей с кабелем, так и на общее несимметричное сопротивление
кабеля. Важно также и то обстоятельство, что при использовании
токовых клещей связи не подавляются резонансы в кабелях. Если
указанные резонансы возникают на частотах, лежащих в полосе
частот испытаний, то могут возникнуть серьезные ошибки.
Указанные недостатки менее свойственны электромагнитным клещам
связи, при использовании которых также исключается вмешательство
в схему соединений.
Еще один вопрос ставит под сомнение предельные уровни
помехоустойчивости, используемые при установлении соответствия.
Действительный уровень мощности помех, воздействующих на
испытуемое оборудование при использовании методов ввода
напряжения или тока, зависит от величины общего несимметричного
сопротивления для порта ИО, подвергаемого воздействию. При низком
несимметричном сопротивлении увеличивается вероятность
воздействия на соответствующий порт помехи повышенной мощности,
если используется источник напряжения, и воздействия помехи
пониженной мощности, если используется источник тока. При
высоком общем несимметричном сопротивлении эти процессы имеют
обратный характер. Для того чтобы преодолеть эту трудность, в не-
ЭМС для разработчиков продукции 241
которых стандартах предельные уровни помехоустойчивости
установлены в единицах силы тока в испытательном калибровочном
блоке при условии, что уровень мощности помех, воздействующих
на ИО, является постоянным.
Полоса частот
Главное ограничение при испытаниях на устойчивость к
радиочастотным кондуктивным помехам относится к полосе частот
испытаний. Для испытуемого оборудования, размеры которого много
меньше, чем длина волны при частоте испытаний, радиочастотное
электромагнитное поле, существующее в месте расположения
оборудования, оказывает воздействие, преимущественно на
подключенные к оборудованию кабели. Следовательно, в указанном
случае испытания на устойчивость к радиочастотным кондуктивным
помехам отражают реальные условия. Если частота испытаний
увеличивается до значения, при котором размеры ИО
соответствуют половине длины волны, то роль кабелей, как основного пути
проникновения помехи в испытуемое оборудование, уменьшается,
а на более высоких частотах электромагнитное поле
взаимодействует с корпусом оборудования и расположенными внутри корпуса
электрическими цепями в той же степени, как и с подключенными
кабелями. По этой причине в стандарте МЭК 61000-4-6 верхняя
предельная частота испытаний ограничена значениями от 80 до
230 МГц (что соответствует размерам испытуемого оборудования от
приблизительно 0,6 м до 2 м. Для более высоких частот все еще
необходимы испытания на устойчивость к радиочастотному
электромагнитному полю.
4.2 Устойчивость к электростатическим разрядам и
переходным электромагнитным помехам
В противоположность методам испытаний на устойчивость к
радиочастотным помехам методы испытаний на устойчивость к
электростатическим разрядам (ЭСР) и переходным электромагнитным
помехам являются, до некоторой степени, менее усложненными и
меньше зависят от применения технически сложных
испытательного оборудования и установок. Тем не менее полоса частот быстрых
переходных процессов и электростатических разрядов является
весьма широкой и захватывает диапазон ОВЧ, вследствие чего
многие меры предосторожности, необходимые при выполнении работ
с радиочастотными помехами, должны предприниматься также и
при испытаниях с переходными электромагнитными помехами.
242
Испытания на помехоустойчивость
4.2.1 Электростатические разряды
4.2.1.1 Оборудование
Генератор электростатических разрядов, применяемый в
соответствии со стандартом МЭК 61000-4-2, достаточно прост. Его схема
приведена на рис. 4.10. Основной накопительный конденсатор С8
заряжается от источника высоковольтного напряжения постоянного
тока через зарядный резистор Rch и разряжается на ИО через
разрядный резистор Rd и разрядный ключ. Разрядный ключ в типичном
случае представляет собой вакуумное реле, управляемое
оператором. При проведении испытаний на соответствие применяются оди-
вакуумное
реЛ'е7 разрядный
наконечник
ио
Источник
высокого
напряжения
заземляющий провод
Рис. 4.10 Генератор электростатических разрядов в соответствии с МЭК 61000-4-2
ночные разряды, но для исследовательских испытаний
предусмотрена возможность периодического создания электростатических
разрядов с частотой повторения 20 разрядов в секунду. Выходное
напряжение должно достигать 8 кВ при контактных разрядах и
15 кВ в случае, если предусмотрено создание воздушных разрядов,
хотя в соответствии с действующими в настоящее время
стандартами в области помехоустойчивости при испытаниях установлено
применение меньших напряжений. Стандарты для групп однородных
изделий и общие стандарты для большинства условий обстановки
ограничивают эти напряжения уровнями 4 кВ для метода
контактного разряда и 8 кВ для метода воздушного разряда.
Критическое значение для конструкции генератора ЭСР имеет
то обстоятельство, что генератор должен обеспечивать точно
установленную форму тока разряда с временем нарастания между 0,7 и
1 не. Из этого следует, что важнейшее значение имеет конструкция
электрической схемы, расположенной вокруг разрядного электрода.
Св, Rd и разрядный ключ должны быть размещены настолько близко
к разрядному электроду, насколько это возможно. Разрядный
наконечник должен иметь установленные размеры. При воздушных
ЭМС для разработчиков продукции 243
разрядах используется закругленный разрядный наконечник, при
контактных разрядах — заостренный. Распределенная емкость
разрядного электрода и расположенных рядом с ним компонентов
образует часть разрядной цепи и в значительной степени определяет
начальное время нарастания разрядного тока, в то время как провод
заземления (обратное подключение к ИО), являясь достаточно
длинным (2 м), имеет собственную индуктивность, которая блокирует
нарастание начального тока разряда. Так как все указанные
распределенные параметры не могут быть удовлетворительно
регламентированы, стандарт требует осуществлять калибровку формы
разрядного тока с помощью специального испытательного устройства при
использовании осциллографа с полосой частот не менее 1 ГГц.
Бели вы используете полностью подготовленный к работе
генератор ЭСР, то его калибровка уже проведена изготовителем, хотя
необходимо регулярно проводить повторные проверки генератора. Если
вы самостоятельно изготовили генератор ЭСР, необходимо также
изготовить и использовать испытательное устройство к нему.
4.2.1.2 Методы испытаний
Из-за крайней быстротечности процессов, связанных с явлением
электростатического разряда, при испытаниях на устойчивость к
ЭСР применяются технические приемы высокочастотных
испытаний. Обязательным является использование пластины заземления.
В качестве ее, конечно, может быть использован пол
экранированного помещения или аналогичная пластина заземления,
установленная для проведения испытаний на помехоэмиссию, сведения о
которых приведены в разделе 3.1.3. Если возникает задача провести
испытания на устойчивость к ЭСР оборудования, установленного в
условиях эксплуатации, то вам следует применить временную
пластину заземления, соединенную с защитным заземлением, которую
необходимо расположить рядом с оборудование. Проведение
испытаний может неблагоприятно воздействовать на функционирование
оборудования, расположенного поблизости, вследствие чего
проведение указанных испытаний на «живых» работающих системах
нежелательно.
Для проведения лабораторных испытаний ИО должно быть
установлено в действующей конфигурации; все кабели должны быть
подключены к оборудованию и располагаться так же, как при
нормальной эксплуатации. Заземление оборудования имеет большое
значение; его следует осуществлять в соответствии с требованиями
по эксплуатации или с учетом практики пользователя. Настольные
244
Испытания на помехоустойчивость
ИО следует устанавливать на деревянном столе высотой 0,8 м,
установленном на пластину заземления. На столе должна быть
размещена горизонтальная пластина связи. ИО и кабели должны быть
изолированы от пластины связи изоляционной прокладкой. Напольное
оборудование должно быть изолировано от пластины заземления
изоляционной подставкой толщиной около 10 см. Типичная
установка для испытаний на устойчивость к электростатическим разрядам
показана на рис. 4.11. Применяемое вспомогательное оборудование
должно быть устойчиво к переходным электромагнитным помехам,
прямой разряд на ИО
горизонтальная
пластина связи
вертикальная пластина
связи, 10 см от ИО -
подключение ИО к
электрической сети
подключение резистора,
обеспечивающего стекание
1ДОВ
источник питания
непрямой разряд на пластину связи
пластина
заземления
Рис. 4.11 Установка для испытаний на устойчивость к электростатическим
разрядам
вызванным воздействием электростатических разрядов. Указанные
переходные помехи могут наводиться электромагнитными полями,
генерируемыми при электростатических разрядах на ИО, или могут
предаваться по подключенным кабелям.
Применение электростатических разрядов
Точки воздействия электростатическими разрядами должны
быть определены по результатам проведения исследовательских
испытаний, цель которых состоит в том, чтобы обнаружить места
восприимчивости оборудования. Воздействие разрядами возможно
лишь на те точки, которые доступны обслуживающему персоналу
при нормальной эксплуатации ИО.
При исследовательских испытаниях вы должны использовать
высокую частоту повторения электростатических разрядов и
увеличивать прикладываемое испытательное напряжение от
минимального значения до значения, соответствующего установленной
степени жесткости испытаний для того, чтобы определить
пороговое значение, связанное с любым нарушением функционирования.
ЭМС для разработчиков продукции 245
Кроме того, необходимо осуществлять выбор одной из двух
полярностей выходного напряжения. Если проводятся испытания на
соответствие, то на каждую выбранную точку воздействия
электростатическими разрядами подается установленное число одиночных
разрядов, разделенных интервалами времени, равными по меньшей
мере 1 с, при установленной и при всех более низких степенях
жесткости испытаний, с полярностью, соответствующей наибольшей
восприимчивости испытуемого оборудования или при обеих
полярностях.
Предпочтительным методом испытаний является воздействие
контактными разрядами, но их осуществление возможно только в
случае, когда ИО имеет проводящую поверхность. Бели проводящая
поверхность окрашена, причем изготовитель ИО не указывает, что
покрытие краской предназначено для изоляции, то покрытие
прокалывается заостренным наконечником разрядного электрода до
осуществления контакта с проводящей поверхностью. Для изделий,
применительно к которым контактные разряды невозможны
(например, если кожухи изделий выполнены полностью из пластика),
необходимо использовать воздушные разряды для проверки
доступных пользователю точек, при воздействии на которые может
произойти нарушение работы внутренних цепей. К таким точкам
относятся выступающие части переключателей, соединители, края
вентиляционных отверстий.
В случае если прямое воздействие контактными или
воздушными разрядами на испытуемое оборудование не представляется
возможным, для имитации электростатических разрядов на объекты
и оборудование, расположенные поблизости от ИО, производятся
разряды на пластину связи, размещенную на установленном
расстоянии от ИО. Для этой цели может применяться либо горизонтальная
пластина связи, показанная на рис. 4.11, либо вспомогательная
вертикальная пластина связи. Интересно отметить, что если вы будете
указанное непрямое воздействие осуществлять с использованием
того же метода, что и при испытаниях на устойчивость к
излученному радиочастотному электромагнитному полю, то эквивалентная
напряженность поля плоской волны должна составлять от 1000 В/м
до 7500 В/м.
Генератор электростатических разрядов должен при его
применении располагаться таким образом, чтобы наконечник разрядного
электрода был перпендикулярен поверхности ИО. При непрямых
разрядах наконечник разрядного электрода должен находиться в
плоскости пластины заземления и располагаться перпендикулярно
246 Испытания на помехоустойчивость
ее ребру, причем точка воздействия должна совпадать с серединой
ребра. При воздушных разрядах круглый наконечник разрядного
электрода следует приближать к поверхности ИО по возможности
быстрым движением (не вызывая механических повреждений).
Осторожное приближение разрядного наконечника в данном случае
не требуется. Эту операцию следует проводить энергично и
решительно. Положение генератора электростатических разрядов при
его применении и характер его приближения к ИО при воздействии
воздушными разрядами являются источником значительных
различий, влияющих на эффективность и повторяемость испытаний.
4.2.1.3 Будущие изменения
Версия стандарта МЭК 61000-4-2, изданная в 1995 году, даже с
учетом введенных изменений, имеет серьезные недостатки. Поэтому
в МЭК проводится работа по полномасштабному пересмотру этого
стандарта, и во время написания настоящей книги ожидалось, что
пересмотренный стандарт будет опубликован в 2002 г.
Существенные изменения, которые, как предполагается, могут быть введены в
новую версию этого стандарта [49], могут затронуть:
• метод калибровки генератора, включая установление более
жестких требований к измеряемым параметрам и расширение
возможностей калибровочной установки для того, чтобы она
была более представительной для ИО малых размеров;
• испытательную установку, включая расположение кабелей и
соединений и, возможно, изменение высоты размещения НО
над пластиной заземления;
• процедуру испытаний, включая большую регламентацию тех
практических аспектов, от которых зависит жесткость
испытаний. Одним из таких аспектов является порядок испытаний не-
заземляемых ИО, которые сохраняют заряд, полученный при
воздействии ЭСР (применительно к этому вопросу в настоящее
время предусматривается отдельное изменение к стандарту,
которое, возможно, будет опубликовано в 2001 г.);
• обработку результатов испытаний, включая установление
статистического подхода к критерию отказа функционирования
ИО.
4.2.2 Наносекундные импульсные помехи
При испытаниях оборудования на устойчивость к кондуктив-
ным переходным электромагнитным помехам должны быть точно
ЭМС для разработчиков продукции
247
установлены параметры как самих электромагнитных помех, так
и устройств связи, с помощью которых указанные помехи
подаются на порты оборудования. Устройство связи должно, с одной
стороны, обеспечить развязку линии, отходящей от ИО, и, с другой
стороны, обеспечить необходимое полное сопротивление при подаче
помехи к ИО. В этом отношении устройство связи аналогично
эквиваленту сети, используемому при испытаниях на помехоэмиссию,
и устройствам связи/развязки, используемым при испытаниях на
устойчивость к радиочастотным кондуктивным помехам. Стандарт
МЭК 61000-4-4 (прежний стандарт МЭК 801-4) устанавливает
требования к испытательному генератору и методы связи для
осуществления испытаний на устойчивость к наносекундным импульсным
помехам (пачкам быстрых переходных процессов), подобным тем, которые
возникают при коммутациях локальных индуктивных нагрузок.
Параметры наносекундных импульсных помех
устанавливаются таким образом, что длительность фронта одиночного импульса
должна составлять 5 не и длительность импульса 50 не при полном
выходном сопротивлении источника 50 Ом. Пачки указанных
импульсов длительностью 15 мс при частоте повторения импульсов
5 кГц (2,5 кГц при максимальном испытательном напряжении)
должны иметь период повторения 300 мс (см. рис. 4.12).
0.2мс (0.4мс)
50нс
t(HC)
(калибровка генератора проводится только
при нагрузке 50 Ом)
t(MC)
ЗООмс
Рис. 4.12 Характеристики наносекундных импульсных помех в соответствии с
МЭК 61000-4-4
В зависимости от установленных степеней жесткости испытаний
уровни испытательного напряжения, выбираются в пределах от 250
В до 4 кВ. Для получения этих высоких напряжений при указанных
выше малых длительностях фронта импульса конструкции
испытательных генераторов традиционно основывались на использовании
искрового рппрядника, на который подается напряжение от накопи-
248 Испытания на помехоустойчивость
тельного конденсатора. В настоящее время их заменили современные
испытательные генераторы, в которых используются твердотельные
переключающие элементы. Известно, что в отношении требований к
испытательному генератору, установленных в первоначальном
стандарте МЭК 801-4 (1988), высказывались определенные критические
замечания [112], касающиеся соответствия реальным условиям
параметров помех, создаваемых испытательным генератором. Хотя
к настоящему времени изготовлены более совершенные
испытательные генераторы, тем не менее в пересмотренной версии стандарта
МЭК 61000-4-4, находящейся в настоящее время на рассмотрении,
учитываются эти критические замечания. В указанной версии
стандарта предусматривается, что частоты повторения импульсов в
пачках должны составлять 100 кГц и 5 кГц и что форма импульса
помехи, воздействующего на порт испытуемого оборудования, должна
соответствовать калиброванной форме импульса. Указанная версия
стандарта МЭК 61000-4-4 была ранее отложена на некоторое время
вследствие того, что ее введение привело бы к устареванию
прежнего поколения испытательного оборудования.
Устройство связи для линий электропитания обеспечивает
подачу несимметричного импульсного напряжения помехи через
конденсаторы связи последовательно на каждую линию
относительно пластины заземления. Одновременно осуществляется
развязка каждой линии с использованием LC-цепи. Помехи в
сигнальные линии подаются с использованием емкостных
клещей связи, представляющих собой, по существу, две
металлические пластины, обеспечивающие распределенную емкость связи,
подключаемые к испытательному генератору, между которыми
прокладывается испытуемый кабель. Любое вспомогательное
оборудование, на которое при испытаниях могут воздействовать
наносекундные импульсные помехи, должно быть устойчиво к
указанным помехам.
4.2.2.2 Методы испытаний
При испытаниях на устойчивость к наносекундным импульсным
помехам, как и при испытаниях на устойчивость к
электростатическим разрядам, должна быть использована пластина заземления.
Она должна быть подключена к проводнику защитного заземления
на стороне сети после развязывающей LC-цепи устройства связи.
Напольное оборудование при испытаниях должно быть изолировано
от пластины заземления изоляционной подставкой толщиной 10 см,
настольное оборудование размещается на столе непроводящего
ЭМС для разработчиков продукции
249
материала высотой 80 см, установленном на пластине заземления.
Длина кабеля электропитания между устройством связи и ИО
должна составлять 1 м. Устройство связи должно быть размещено на
пластине заземления. Если на корпусе ИО имеется зажим защитного
заземления, указанный зажим соединяется с пластиной заземления
через устройство связи, и помехи должны быть поданы также на
указанное устройство связи. Подача помех на кабели ввода-вывода
сигналов осуществляется через емкостные клещи связи, которые
должны быть размещены над пластиной заземления на высоте
10 см. Типичная испытательная установка показана на рис. 4.13.
Устройство
заземление оборудования как при
нормальном использовании
Рис. 4.13 Установка для испытаний на устойчивость к наносекундным импульсным
помехам
Процедура подачи наносекундных импульсных помех при
испытаниях относительно проста в сравнении с другими испытаниями
на помехоустойчивость. В этом случае нет необходимости в
проведении исследовательских испытаний, за исключением определения
режима функционирования, обеспечивающего наибольшую
восприимчивость испытуемого оборудования к помехе. Как правило,
наносекундные импульсные помехи подаются на каждую
испытуемую линию при каждой полярности напряжения помехи в
течение времени, равного 1 мцн. Требуемый уровень испытательного
напряжения установлен в соответствующем стандарте и зависит
от ожидаемых условий эксплуатации и вида линии, подвергаемой
испытаниям.
4.2.3 Микросекундные импульсные помехи большой
энергии
Испытания на устойчивость к микросекундным импульсным
помехам большой энергии, проводимые в соответствии со стандартом
МЭК 61000-4-5, имитирую1* воздействие на силовые линии и
длинные сигнальные линии сравнительно медленных, но обладающих
250
Испытания на помехоустойчивость
большой энергией переходных импульсов напряжения,
вызываемых, наиболее часто, молниевыми разрядами поблизости от линий.
Указанная часть стандарта МЭК 61000-4 была предварительно
опубликована в виде европейского предстандарта ENV 50142.
4.2.3.1 Форма импульса помехи
Микросекундные импульсные помехи большой энергии
подаются при испытаниях на линии электропитания, ввода-вывода
сигналов и связи. Для генератора микросекундных импульсных
помех большой энергии одновременно регламентируются формы
импульсов напряжения и тока, так как действие средств защиты от
импульсных помех, применяемых в конструкции ИО (или при их
отсутствии перекрытия изоляции или пробои компонентов),
неизбежно будут приводить при воздействии импульса помехи к резкому
форма импульса
тока при коротком
замыкании
Генератор помех
ния-линия линия-земля
О О О
N ОТ Т.хЯУУц>
с /у It ,.
Устройство развязки
Вспомогательное Устройство развязки
оборудование и защиты
Рис. 4.14 Характеристики микросекундных импульсных помех большой энергии и
способы связи
изменению входного сопротивления от высокого к низкому.
Параметры элементов схемы генератора устанавливаются таким образом,
чтобы при высокоомной нагрузке (более 100 Ом) время нарастания
ЭМС для разработчиков продукции 251
импульса напряжения на выходе генератора составляла 1,2 мкс,
длительность импульса — 50 мкс; в режиме короткого замыкания
время нарастания импульса тока генератора составляла 8 мкс,
длительность импульса — 20 мкс. Этим требованиям должны отвечать
импульсы помехи, подаваемые на устройство связи/развязки при
условии, что указанное устройство не подключено к испытуемому
оборудованию.
В стандарте установлены три различных значения выходного
сопротивления источника помехи, зависящих от применения
испытательных импульсов и ожидаемых условий функционирования ИО.
Эффективное выходное сопротивление генератора микросекундных
импульсных помех большой энергии, определяемое как отношение
пикового значения импульса напряжения на выходе генератора в
режиме холостого хода к пиковому значению импульса тока в
режиме короткого замыкания, должно составлять 2 Ом. При проведении
испытаний используются дополнительные резисторы
сопротивлением 10 и 40 Ом, включаемые последовательно с генератором
микросекундных импульсных помех большой энергии для того, чтобы
увеличить эффективное выходное сопротивление до установленных
значений. Характеристики микросекундных импульсных помех
большой энергии и способы связи иллюстрированы на рис. 4.14.
4.2.3.2 Подача микросекундных импульсных помех большой
энергии
При воздействии на порт электропитания микросекундные
импульсные помехи большой энергии подаются между фазными
проводами и между фазным проводом и землей. Для линий ввода-
вывода сигналов также применяется подача импульсов помехи по
схемам «провод — провод» и «провод — земля», но при большем
выходном сопротивлении источника помехи. Полное сопротивление
низковольтной сети электропитания принимают равным 2 Ом. При
испытаниях с подачей помехи по схеме «провод — провод»
применяют испытательный генератор с выходным сопротивлением 2 Ом.
Полное общее сопротивление низковольтной сети электропитания
и системы заземления принимают равным 12 Ом и при проведении
испытаний с подачей помехи по схеме «провод — земля» применяют
дополнительный резистор сопротивлением 10 Ом. Полное
сопротивление между всеми другими линиями и линиями и землей
принимают равным 42 Ом.
Микросекундные импульсные помехи подаются на линии
электропитания с использованием устройства связи/развязки,
252 Испытания на помехоустойчивость
включающего развязывающий фильтр. Указанный фильтр должен
исключать неблагоприятное воздействие помех на другое
оборудование, подключенное к той же питающей электрической сети, и
представлять собой достаточную нагрузку для генератора импульсов.
При подаче импульсов по схеме «провод — провод» выход генератора
импульсов должен быть незаземленным, при подаче по схеме
«провод — земля» один из выходных зажимов может быть заземлен, при
этом применяют испытательный генератор с последовательно
подключенным резистором сопротивлением 10 Ом.
При подаче микросекундных импульсных помех на линии
ввода-вывода сигналов последовательно с испытательным генератором
подключается резистор 40 Ом. При этом используется либо
емкостное устройство связи с развязывающим фильтром,
предназначенным для защиты вспомогательного оборудования, либо устройство
связи через разрядники, если частота сигналов в линиях
ввода-вывода является достаточно высокой и подключение конденсатора
связи приводит к нарушению функционирования ИО.
При уровне помех, соответствующем аппаратурному уровню
помехоустойчивости, цель испытаний заключается в том, чтобы
подтвердить, что испытуемое оборудование выдерживает воздействие
помех указанного уровня без отказов или нарушений
функционирования. Вместе с тем в составе испытуемого оборудования часто
применяются средства защиты от импульсных помех (варисторы,
диоды Ценера и т.д.). В типичном случае указанные средства
обладают малой номинальной средней мощностью рассеивания, хотя и
могут обеспечивать прохождение значительных мгновенных токов
или рассеивать значительные мгновенные мощности. В результате
возможности используемых средств защиты от импульсных помех
будет, как правило, ограничивать максимальное число подаваемых
при испытаниях импульсов помехи. Рекомендуется при каждом
отдельном испытании подавать максимально 10 импульсов помехи (в
том числе 5 импульсов при положительной и 5 при отрицательной
полярности испытательного напряжения). Испытания с подачей
большего числа импульсов помехи могут привести к
преждевременному и ненужному повреждению испытуемого оборудования,
в результате чего возможен выход из строя другого оборудования,
связанного с испытуемым. Учитывая риск такого рода последствий,
желательно, чтобы испытуемое оборудование было физически
изолировано при проведении его испытаний на устойчивость к
микросекундным импульсным помехам большой энергии. В любом
случае испытуемое оборудование, где это возможно, не должно быть
ЭМС для разработчиков продукции 253
подключено к другому оборудованию, и испытательная установка
должна быть хорошо изолирована, чтобы не допустить перекрытий
изоляции.
Импульсы помехи, подаваемые на испытуемое оборудование,
должны быть синхронизированы с частотой сетевого напряжения и
подаваться в моменты прохождения кривой напряжения через
амплитудные значения положительной и отрицательной полярности
для того, чтобы обеспечить максимальное значение испытательного
напряжения и повторяемость испытаний, а также в моменты
прохождения кривой напряжения через нуль для того, чтобы энергия,
передаваемая от испытательного генератора при срабатывании
средств защиты, была максимальной. Уровень испытательного
напряжения необходимо увеличивать ступенями до максимального
установленного значения для того, чтобы убедиться в том, что
имеющиеся средства защиты от помех не вызывают отказов или
нарушений функционирования оборудования из-за срабатываний при
малых уровнях помех и вместе с тем надежно защищают испытуемое
оборудование при высоких степенях жесткости испытаний.
4.2.4 Источники изменчивости
Если исходить из того, что реакция испытуемого оборудования
при воздействии электромагнитных помех может быть определена
достаточно точно, то основными источниками изменчивости
результатов испытаний на устойчивость к электростатическим разрядам
и переходным электромагнитным помехам являются отсутствие
повторяемости при расположении элементов оборудования и
статистический характер воздействия электромагнитных помех при
испытаниях. Кроме того, на результаты испытаний при воздействии
воздушных электростатических разрядов могут оказывать
некоторое влияние климатические условия.
4.2.4.1 Расположение оборудования
Вследствие широкой полосы частот электростатических
разрядов и наносекундных импульсных помех элементы конструкции
испытуемого оборудования и подключенные к нему кабели могут
выполнять функции непреднамеренных излучателей и рецепторов
электромагнитного поля помех, как это имеет место при
испытаниях на соответствие нормам радиочастотной помехоэмиссии (в этой
связи следует обратиться к разделу 3.1.5).
Следовательно, порядок расположения испытуемого
оборудования, укладки кабелей и применения соединителей должен быть
254 Испытания на помехоустойчивость
скрупулезно установлен в плане испытаний и неукоснительно
выполнен при их проведении. Изменения расположения ИО и кабелей
будут оказывать влияние на параметры связи с испытуемым
оборудованием и его элементами и в меньшей степени могут влиять
на величину распределенной емкости по отношению к пластине
заземления и, следовательно, на уровень помехи. В равной степени,
существенное влияние на изменчивость результатов испытаний на
устойчивость к электростатическим разрядам, оказывает состояние
таких элементов конструкции ИО, как заглушки и откидные
панели, которые при испытаниях должны быть закрыты.
4.2.4.2 Временные параметры переходных
электромагнитных помех
Функционирование цифровых изделий связано с
последовательным изменением их дискретных состояний. Если длительность
переходной электромагнитной помехи, воздействующей на
испытуемое оборудование, имеет такой же порядок, что и
длительность указанного дискретного состояния (или периода тактовой
частоты), что имеет место в случае электростатических разрядов
и наносекундных импульсных помех, то время воздействия
помехи по отношению к состоянию ИО будет оказывать влияние на его
помехоустойчивость. Если время появления импульса помехи
совпадает с временем перехода ИО из одного дискретного состояния в
другое, то восприимчивость ИО будет, по всей видимости, выше, чем
в стабильном состоянии. Кроме того, могут существовать периоды
времени, когда функционирование внутреннего программного
обеспечения является более устойчивым (например, в периоды, когда
программное обеспечение приостанавливает работу определенных
устройств).
В большинстве случаев режим подачи переходных
электромагнитных помех по отношению к дискретным состояниям ИО
является асинхронным, т.е. помехи подаются в случайные моменты
времени. Следовательно, для наносекундных импульсных помех
вероятность Р совпадения импульса помехи с временным состоянием
восприимчивости ИО будет всегда меньше единицы. По этой
причине методы испытаний на устойчивость к электростатическим
разрядам и наносекундным импульсным помехам предусматривают, что
на ИО, для принятия решения о соответствии, должно быть подано
относительно большое число отдельных разрядов и импульсов
помехи. Если вероятность совпадения Р имеет один и тот же порядок или
оказывается меньшей, чем величина, обратная этому числу, то су-
ЭМС для разработчиков продукции 255
ществует возможность того, что в процессе конкретного испытания
совпадение не произошло и оборудование, относительно которого
принято решение о его соответствии, может в условиях
эксплуатации оказаться в условиях, когда такое совпадение произойдет и
функционирование оборудования будет нарушено. По этой причине
проблему совпадения во времени импульсов помехи и состояний
восприимчивости ИО нельзя, при условиях неопределенности, решить
иным способом, чем подачей большего числа импульсов помехи.
4.2.4.3 Окружающая среда
Как правило, условия внешней обстановки, не связанные с
электромагнитными явлениями, не оказывают влияния на процесс
подачи помехи к испытуемому оборудованию, хотя могут влиять на
рабочие характеристики оборудования и, следовательно, на его
помехоустойчивость. Главное исключение из этого правила связано
с испытаниями при воздействии электростатическими разрядами.
При указанных испытаниях форма тока разряда в сильной степени
зависит от физической ориентации разрядного наконечника,
скорости его приближения к ИО, а также от относительной влажности
воздуха. Это означает возможность изменения результатов
испытаний от дня ко дню и даже от часа к часу при условии поддержания
других влияющих факторов постоянными, что и явилось основной
причиной того, что метод воздушных электростатических разрядов
«впал в немилость».
4.3 Устойчивость к магнитному полю и
пониженному качеству электрической энергии
К двум видам испытаний на устойчивость к низкочастотным
электромагнитным помехам, которые наиболее важны в контексте
Директивы ЭМС, относятся испытания на устойчивость к
магнитному полю промышленной частоты и к провалам и прерываниям
напряжения электропитания.
4.3.1 Магнитное поле
Испытания на устойчивость к непрерывному магнитному полю
промышленной частоты могут применяться для оборудования
всех видов, предназначенного для подключения к общественным
и промышленным распределительным электрическим сетям и для
оборудования электрических станций и подстанций. Испытания
с кратковременным воздействием магнитного поля относятся к
устойчивости при аварийных условиях и проводятся при более вы-
256 Испытания на помехоустойчивость
соких испытательных уровнях, чем те, которые применяются при
испытаниях на устойчивость к непрерывному магнитному полю.
Более высокие испытательные уровни применяются в основном для
оборудования электростанций, предназначенного для
использования в зонах, связанных с воздействием сильных магнитных полей
(стандарт МЭК 61000-2-7 устанавливает уровни внешних
магнитных полей для различных условий обстановки).
Магнитное поле с частотой сети является обычным элементом
внешней среды при эксплуатации оборудования, но представляет
опасность нарушений функционирования лишь для оборудования
определенных видов. Основополагающий стандарт,
устанавливающий метод испытаний, не содержит особых указаний в отношении
того, для каких изделий следует и для каких не следует применять
испытания на устойчивость к магнитному полю. Однако общие
стандарты и стандарты на группы продукции устанавливают, что в
тех случаях, когда испытания такого рода должны проводиться, их
следует применять только для оборудования «содержащего
устройства, восприимчивые к воздействию магнитных полей». Опыт
подсказывает, что испытания такого рода определенно следует
применять для всех изделий, содержащих электронно-лучевые трубки
(хотя простые бытовые телевизоры не относятся к этим изделиям,
так как стандарт помехоустойчивости, распространяющийся на
бытовую радиоэлектронную аппаратуру, не упоминает об
испытаниях на устойчивость к магнитному полю), а также различные иные
специализированные компоненты, такие как датчики магнитного
поля. Аудиоаппаратуру, которая может быть восприимчивой к
воздействию магнитных помех, также следует подвергать этим
испытаниям, хотя электронные схемы не рассматриваются, в общем
случае, в качестве объекта испытаний на устойчивость к
магнитному полю промышленной частоты.
Испытательное магнитное поле является синусоидальным и
имеет частоту сети электропитания. Во многих случаях (жилые зоны,
электростанции и электрические подстанции при нормальных
условиях работы оборудования) уровень магнитного поля, создаваемого
гармоническими составляющими тока промышленной частоты,
пренебрежимо мал, но в специальных случаях (например, на
промышленных предприятиях, где сконцентрировано большое число
силовых преобразователей) этот уровень может быть
существенным. Проводимые в настоящее время испытания не учитывают
указанные гармонические составляющие тока.
ЭМС для разработчиков продукции 257
Метод испытаний на устойчивость к магнитному полю
промышленной частоты установлен в стандарте МЭК 61000-4-8. В
соответствии с указанным стандартом испытуемое оборудование должно
быть подвергнуто воздействию синусоидального магнитного поля
частотой 50 или 60 Гц (искажения синусоидальности не должны
превышать 8%), создаваемого индукционной катушкой, окружающей ИО в
трех ортогональных плоскостях. Установленные степени жесткости
испытаний соответствуют напряженности 1, 3, 10, 30 и 100 А/м для
непрерывного магнитного поля и 300 и 1000 А/м для
кратковременного магнитного поля (продолжительностью 1 — 3 с).
Магнитное поле создается током, протекающим в стандартной
полеобразующей системе (индукционной катушке). Требуемая
неоднородность поля должна составлять 3 дБ в объеме, занимаемом
испытуемым оборудованием. Для различных индукционных
катушек стандартной формы максимальный рабочий объем составляет:
• одиночная квадратная катушка со стороной 1м: 0,6 м х 0,6 м х
0,5 м (высота);
• двойная квадратная катушка со стороной 1м:
— при разносе 0,6 м: 0,6 м х 0,6 м х 1 м (высота);
— при разносе 0,8 м: 0,6 м х 0,6 м х 1,2 м (высота);
■ одиночная прямоугольная катушка со сторонами 1 м х 2,6 м:
0,6 м х 0,6 м х 2 м (высота).
Коэффициент калибровки индукционной катушки (отношение
напряженности магнитного поля Н к току в катушке I)
определяется в центре индукционной катушки и позволяет
непосредственно определить связь между измеряемой амплитудой силы тока в
катушке и напряженностью создаваемого магнитного поля. Хотя
установленные в стандарте конструкции индукционных катушек
используются вместе с пластиной заземления, это не исключает
применения индукционных катушек других конструкций, если
они отвечают установленным требованиям к однородности поля.
Например, может быть использована многовитковая катушка,
обеспечивающая создание установленной напряженности поля при
меньшем протекающем токе. Требования к источнику переменного
тока для питания катушки и к отношению числа витков выходного
трансформатора применительно к использованию индукционной
катушки с определенными параметрами [76 ] приведены в таблице
4.3. Общая схема испытаний на устойчивость к магнитному полю
приведена на рис. 4.15.
258
Испытания на помехоустойчивость
Таблица 4.3 Требования к силе тока и напряжению для индукционной катушки и
источника переменного тока (индукционная катушка с параметрами: сопротивление
1,50м, индуктивность ЮмГн, коэффициент калибровки 65,73 А/м/А
Н {А/м )
1
3
10
30
100
300
1000
Индукционная катушка
Сила тока
(А)
0,015
0,046
0,152
0,456
1,521
4,564
15,214
Напряжение (В)
0,094
0,281
0,936
2,809
9,363
28,090
93, 635
Отношение
числа
витков (N 1)
240
240
240
8
8
8
2,5
Источник переменного тока
Сила тока
(А)
6,34 х 10 s
1,90хЮ4
6,34x10*
0,057
0,190
0,571
6,086
Напряжение (В)
22,5
67,4
224,7
22,5
74,9
224,7
234,1
Мощность
(ВА)
0,001
0,013
0,142
1,282
14,245
128,21
1424,53
Индукционная катушка
(стандартные размеры 1х2,6м,
испытания в трех ортогональных
плоскостях)
Индукционная катушка
(стандартные размеры
1х1м, испытания в трех
ортогональных
плоскостях)
к генератору
испытательного
тока (Ом)
NB вертикальная райка
может включать пластину
заземления
Установка для
испытаний
настольного
оборудования
Испытания повторяют
при сдвиге рамки вдоль
стороны ИО, чтобы
исследовать весь
объем ИО
Установка для
испытания
льного
U
Рис. 4.15 Испытания на устойчивость к магнитному полю
4.3.2 Провалы и прерывания напряжения
Существует необходимость установить и контролировать
реакцию испытуемого оборудования при перерывах сетевого
электропитания. В этой связи в стандарте МЭК 61000-4-11:1994 установлен
метод испытаний на устойчивость к электромагнитным помехам
указанного вида.
Электрические и электронные изделия могут подвергаться
воздействию провалов, коротких прерываний или изменений
напряжения сети электропитания. Провалы и короткие прерывания
напряжения электропитания возникают из-за повреждений
электрических сетей и электрических установок или из-за внезапного
резкого изменения нагрузки. В определенных случаях могут иметь
ЭМС для разработчиков продукции 259
место многократные провалы или прерывания. Постепенные
изменения напряжения вызываются медленно изменяющимися
нагрузками в сети электропитания. Эти явления случайны по своей
природе и в качестве их параметров могут использоваться отклонение от
номинального напряжения электропитания и длительность.
Провалы напряжения и короткие прерывания не всегда
являются скачкообразными. Если разветвленные сети электропитания
внезапно отключаются, то напряжение электропитания будет
уменьшаться постепенно из-за большого числа вращающихся
машин, подключенных к сетям. В течение некоторого периода времени
указанные вращающиеся машины будут работать как генераторы,
передающие энергию в сеть. Некоторое оборудование в большей
степени восприимчиво к постепенным изменениям напряжения, чем к
скачкообразным изменениям
4.3.2.1 Подача провалов и прерываний напряжения
В основополагающем стандарте установлены методы испытаний
различных видов, имитирующие воздействие скачкообразных
изменений напряжения, а также дополнительный метод испытаний,
относящийся к постепенным изменениям напряжения. Испытания
могут быть проведены либо с использованием двух трансформаторов
с изменяемым выходным напряжением, коммутируемых
управляемым переключателем, либо с использованием генераторов сигналов
регулируемой формы и усилителя мощности. В испытательных
генераторах малой и средней мощности обычно используется
последний способ.
Стандартные методы испытаний установлены для воздействия
провалов и кратковременных прерываний напряжения
(прерывание напряжения представляет собой провал, при котором
напряжение равно 0% от номинального напряжения электропитания) и
для коротких постепенных изменений напряжения. Испытания на
устойчивость к провалам и кратковременным прерыванием
напряжения электропитания более значимы, поскольку их проведение
регламентируется общими стандартами и стандартами на группы
однородной продукции. В общем стандарте помехоустойчивости
установлены требования устойчивости оборудования при
воздействии провалов напряжения длительностью 0,5 периода сетевого
напряжения при уровне 70% от номинального напряжения сети,
длительностью 5 периодов при уровне 40% от номинального
напряжения сети и прерываний напряжения длительностью 5 с.
260
Испытания на помехоустойчивость
В соответствии с критерием качества функционирования,
применяемым при проведении испытаний двух последних видов,
допустимо временное прекращение выполнения испытуемым
оборудованием установленной функции с последующим самовосстановлением
нормального функционирования или его восстановлением путем
осуществления операций управления; т.е. замена сгоревшего
предохранителя является неприемлемой. Провалы и изменения
напряжения электропитания, применяемые при испытаниях,
иллюстрированы на рис. 4.16.
0.4xUu
постеленные изменения напряжения
1 1 | г-т—1—Г~~Г Т
t (сек)
Провалы напряжения
Г
резкие изменения при любом фазовом угле
UHOH - номинальное Провал 70%, 5 периодов
напряжение
Провал 100%, 1 периодов
Предпочтительные
испытательные уровни,
% от Uном
0 (interruption)
40
70
Предпочтительные
длительности периодов
05.1.
5,10,
25.50
Рис. 4.16 Провалы и изменения напряжения электропитания
Важнейшим требованием, предъявляемым к испытательному
генератору, является его нагрузочная способность по пиковому току,
которая должна соответствовать пиковому потребляемому току
испытуемого оборудования, так как в противном случае
результаты испытаний будут ошибочными. Максимальная нагрузочная
способность испытательного генератора по пиковому току должна
составлять 500 А при напряжении сети электропитания 230 В и
250 А при напряжении сети электропитания 110 В. Если пиковый
ЭМС для разработчиков продукции 261
потребляемый ток испытуемого оборудования существенно ниже
этих величин, может быть использован испытательный генератор
с уменьшенной нагрузочной способностью по пиковому току, при
условии, что измеренный пиковый ток потребления не превышает
70% от пикового нагрузочного тока используемого генератора.
4.4 Оценка результатов испытаний
Множество и разнообразие оборудования и систем делают
трудной задачу установления единого критерия оценки результатов
воздействия помех на электронные изделия. Тем не менее результаты
испытаний могут быть классифицированы на основе рабочих
условий при проведении испытаний и функциональных характеристик
испытуемого оборудования путем применения критериев качества
функционирования, которые обсуждаются ниже.
Установить пределы, определяющие «ухудшение
функционирования или прекращение выполнения установленной функции» и
решить, какие из этих пределов следует применять при проведении
конкретного испытания на помехоустойчивость, должен
изготовитель. Решение этих вопросов может основываться на результатах
предварительных испытаний или на известных требованиях
заказчика. В любом случае важно, чтобы эти указанные пределы
и критерии качества функционирования были введены в
окончательный план испытаний оборудования в области ЭМС. Если
оборудование поставляется заказчику как единственный образец на
индивидуальной контрактной основе, то ясно, что существует почва
для взаимного соглашения и переговоров о приемочных критериях.
Однако этот путь неприменим для изделий, размещаемых на
массовом рынке, которые должны в обязательном порядке удовлетворять
существенным требованиям Директивы ЭМС. В этих случаях вам
необходимо применить в качестве общего руководства стандарт в
области помехоустойчивости.
4.4.1 Критерии качества функционирования
Общие стандарты помехоустойчивости [140] устанавливают
правила выбора критериев, на основании которых необходимо
оценивать функционирование испытуемого оборудования при
воздействии на него электромагнитных помех с различными
испытательными уровнями. Эти критерии полностью приведены в разделе 9.3.4
и могут быть кратко изложены в следующем виде:
Критерий качества функционирования А: Аппарат продолжает
функциониро-вать в соответствии с назначением. Не допускается
262 Испытания на помехоустойчивость
ухудшения функционирования ниже минимальных пределов,
установленных изготовителем, или прекращения выполнения
установленной функции.
Этот критерий качества функционирования применяется к
электромагнитным помехам, которые при нормальных условиях
воздействуют на аппарат непрерывно, таким как радиочастотные помехи.
Критерий качества функционирования В: После прекращения
помехи аппарат продолжает функционировать в соответствии с
назначением. Не допускается ухудшения функционирования ниже
минимальных пределов, установленных изготовителем, или
прекращения выполнения установленной функции. В период
воздействия помехи допускается ухудшение функционирования. Вместе с
тем прекращение выполнения аппаратом установленной функции
или изменение данных, хранимых в памяти аппарата, не
допускаются.
Этот критерий качества функционирования применяется к
переходным электромагнитным помехам.
Критерий качества функционирования С: Допускается
временное прекращение выполнения аппаратом установленной функции
при условии, что функция восстанавливается самостоятельно или
может быть восстановлена с помощью операций управления.
Этот критерий качества функционирования применяется к
прерываниям напряжения сети электропитания.
Если минимальные пределы ухудшения функционирования или
допустимые потери качества функционирования не установлены
изготовителем, указанные данные могут быть определены либо на
основе анализа эксплуатационной и технической документации на
изделие (включая рекламные брошюры и материалы), либо исходя
из результатов применения аппарата, которых пользователь
вправе ожидать при его использовании в соответствии с назначением.
Таким образом, если, например, измерительный прибор имеет
установленную погрешность измерений при нормальных условиях,
равную 1%, то целесообразно ожидать, что указанная погрешность
будет сохранена при воздействии на прибор радиочастотной помехи,
уровень которой установлен в соответствии с требованиями стандарт
ЭМС для разработчиков продукции 263
га, если в руководстве пользователя и в документации, относящейся
< продаже прибора, не допускается при таких условиях большая
тогрешность измерений. Погрешность измерений может быть по-
зышена при воздействии переходных электромагнитных помех,
do после прекращения их воздействия должна восстановиться при
исходном уровне. На видеомониторе персонального компьютера при
воздействии переходных электромагнитных помех могут
наблюдаться искажения изображения или «снег», но указанный
компьютер не должен прекратить работу и данные в его памяти не должны
эыть изменены.
Вполне вероятно, что понятие «результаты применения
аппарата, которых пользователь вправе ожидать при его использовании
в соответствии с назначением», будет введено в содержание
существенных требований Директивы ЭМС в соответствии с проектом
изменения к Директиве ЭМС, распространенным в 2000 г. (см.
раздел 1.5.2). Особое внимание в этом документе уделяется также
информации об изделии, которая должна быть указана в
сопроводительной документации, включая любые ограничения в его
использовании или мероприятия по обеспечению выполнения требований
по защите.
Особые критерии, установленные в стандартах на
продукцию
В некоторых стандартах помехоустойчивости,
распространяющихся на группы однородной продукции, критерии качества
функционирования при испытаниях на помехоустойчивость могут быть
установлены в более детализированной форме. Например, стандарт
БН 55020, применяемый для радиовещательных приемников и
телевизоров, устанавливает пределы ухудшения качества
функционирования в виде определенного отношения полезного сигнала к
помехе на выходе радиовещательного приемника (в канале звукового
сопровождения телевизора) и едва заметного ухудшения
стандартного изображения при воздействии помехи в канале изображения
телевизора. Даже эти относительно четкие определения, могут быть
тем не менее интерпретированы различным образом. Другим
примером является стандарт ЕН 55024, применяемый для
оборудования информационных технологий, который устанавливает особые
критерии для оценки отсутствия нарушений функционирования
линий проводной связи, оборудования факсимильной связи,
видеодисплейных устройств. На телекоммуникационное оборудование в
настоящее время распространяется группа стандартов ЭМС ЕТСИ,
264 Испытания на помехоустойчивость
в которых, как правило, требуется соответствие определенным
критериям, относящимся к вероятности ошибки на один бит
передаваемой информации и потерям синхронизации в канале связи.
Тем не менее субъективный характер критериев качества
функционирования при испытаниях изделий на помехоустойчивость
все еще может представлять собой главное затруднение в правовых
вопросах, связанных с применением Директивы ЭМС. Это
затруднение, бесспорно, предоставляет многим изготовителям возможность
оспаривать отрицательные результаты, полученные при
испытаниях на соответствие, аргументируя это тем, что при подтверждении
соответствия одного и того же изделия не только использовались
различающиеся методы испытаний и различающиеся способы
расположения изделия при испытаниях, но и тем, что при оценке
нарушений функционирования применялись различные критерии.
Поэтому в их собственных интересах иметь ясную и точную
поддерживающую документацию в отношении принятого критерия
качества функционирования при испытаниях на помехоустойчивость и
обеспечить, чтобы этот критерий в максимально возможной степени
соответствовал правилам выбора критерия, приведенным в общем
стандарте, или соответствовал критерию, установленному в
стандарте для группы однородных изделий.
Глава 5
Механизмы проникновения помех
5.1 Источник и рецептор
Ситуации, при которых возникают проблемы электромагнитной
совместимости, имеют два характерных аспекта. В любой такой
ситуации должен быть источник помех и рецептор, который
восприимчив к данной помехе. Если любого из них — либо источника, либо
рецептора — нет, то проблема ЭМС отсутствует. Если и источник и
рецептор находятся в пределах одной и той же части оборудования,
то мы имеем дело с «внутрисистемной» ЭМС; если они принадлежат
различным устройствам или системам, как, например,
компьютерный монитор и радиоприемник, то говорят, что имеет место
«межсистемная» ЭМС. Стандарты, которые обсуждались в главе 2,
относились к управлению межсистемной ЭМС. То же самое оборудование
может быть в одной ситуации источником, а в другой — рецептором
помехи.
Понимание того, как источник помехоэмиссии связан с
рецептором, является существенным, так как уменьшение коэффициента
связи зачастую единственный способ ограничить влияние помех в
том случае, если изделие должно продолжать выполнять свои
функции. Два аспекта ЭМС часто взаимны, так как меры, принятые для
улучшения ситуации с помехоэмиссией, также улучшают ситуацию
с помехоустойчивостью, хотя это не всегда так. Для целей анализа
их более удобно рассматривать независимо.
ЭМС систем
Рассмотрение источника и рецептора совместно показывает
существующие потенциальные пути проникновения помех от одного
к другому (рис. 5.1). Когда системы находятся в стадии создания,
необходимо знать характеристики помехоэмиссии и
помехоустойчивость составляющего оборудования, чтобы определить, что
возможные проблемы будут обусловлены сильной связью. Строгое
соблюдение требований опубликованных стандартов помехоэмиссии и
помехоустойчивости не гарантирует отсутствие в системах проблем
с ЭМС. Стандарты написаны с точки зрения защиты деятельности
определенных служб — в случае стандартов помехоэмиссии это —
радиосвязь и передача данных. В этом случае стандарты должны
266
Механизмы проникновения помех
обеспечить минимальное разделение между источником помехи и
рецептором.
излучение от корпуса
к кабелю питания
проводимость,
через общее полное
сопротивление
заземления
оборудование -
источник помех
периферийное
оборудование
внешние помехи по целям питания
оборудование -
рецептор помех
Рис. 5.1 Пути связей
Большинство электронных аппаратных средств содержат
элементы, которые способны принимать сигналы через компоненты,
которые ведут себя как антенны, например кабели, проводники
печатных плат, внутренние проводные и механические
конструкции. Эти элементы могут неумышленно передавать энергию через
электрическое, магнитное или электромагнитное поле в цепи, с
которыми они имеют связь. В практических ситуациях
внутрисистемные и внешние связи между оборудованием видоизменяются
из-за присутствия экранирующих и диэлектрических материалов, а
также расположения и близости мешающего и восприимчивого
оборудования и особенно их кабельных соединений. Заземляющие или
экранирующие плоскости или усиливают мешающий сигнал за счет
отражения, или уменьшают его за счет поглощения. Связь
«провод — провод» может быть или емкостной, или индуктивной и
зависит от направления проводов, их длины и взаимного расположения.
Диэлектрические материалы могут также ограничивать поля
рассеяния, хотя этот эффект ничтожен по сравнению с взаимодействием,
проводов в большинстве практических ситуаций.
5.1.1 Связь через общее сопротивление
Связи через общие сопротивления образуются благодаря сопро
тивлению проводников, которыми источник помех связан с рецеп
тором. Наиболее очевидный случай общих полных сопротивлений
ЭМС для разработчиков продукции
267
когда это сопротивление является физически существующим,
связан с наличием соединяющего проводника. Но общее сопротивление
может также быть из-за взаимной индуктивной связи между двумя
токовыми петлями или из-за взаимной емкостной связи между
двумя узлами напряжения. Обобщая, можно сказать, что каждый узел
или каждый контур связан со всеми другими подобными
элементами повсюду. Практически степень связи очень быстро падает при
увеличении расстояния. На рис. 5.4 показаны изменения взаимной
емкости и индуктивности пары параллельных проводников в
зависимости от расстояния между ними, а уравнения поля в
Приложении С (раздел С.З) дает точные выражения для поля от излучающего
элемента в любой точке пространства.
5.1.1.1 Проводное соединение
В случае, когда источник помехи (выход системы А на рис. 5.2)
использует общее с рецептором соединение с землей (вход систе-
Система А
вход
Проблема
Система В
соединение, имеющее индуктивность I
нагрузка
Решение
Рис 5.2 Связь через общее сопротивление:
мы В), любой ток, протекающий через общее полное
сопротивление секции Х-Х, создает напряжение последовательно со входным
системы В. Полное сопротивление определяется длиной провода
или проводника на печатной плате. Высокая частота или высокая
скорость изменения тока di/dt на выходе способствуют более
эффективным связям из-за индуктивной природы полного сопротивления
(см. приложение С раздел С.5 для индуктивности проводников
268 Механизмы проникновения помех
различных конфигураций). Напряжение, создаваемое на катушке
индуктивности в результате протекания тока через нее, дается
уравнением (5.1). Выход и вход могут быть частью той же самой системы,
и в этом случае существует паразитная обратная связь через общее
полное сопротивление, которое может быть причиной
колебательного процесса
VN = -LdI,/dt, (5.1)
где L — собственная индуктивность, Гн.
Решение заключается в том, как показано на рис. 5.2, чтобы
разделить соединения так, чтобы не было какого-либо общего пути для
протекания тока и, следовательно, никакого общего полного
сопротивления между этими двумя цепями.
Единственная «неприятность» при выполнении таких процедур
заключается в том, что требуются дополнительные проводные
соединения или печатные проводники, чтобы сформировать
раздельные цепи. Это применяется к любым цепям, которые могут
включать общее сопротивление, как, например, шины питания. Земля
наиболее часто является общим сопротивлением, потому что
заземление, часто не показанное на принципиальных электрических
схемах, считается само собой разумеющимся.
5.1.1.2 Магнитная индукция
Переменный ток, текущий в проводнике, создает, магнитное
поле, которое в близлежащем проводнике наводит напряжение
(рис. 5.3,а). Напряжение, наведенное в проводнике рецептора,
определяется уравнением (5.2):
VN - -М dlJdU (5.2)
где М — взаимная индуктивность, Гн.
Отметим подобие между (5.2) и (5.1). Взаимная индуктивность М
зависит от площади токовых контуров источника и рецептора, их
ориентации и расстояния между ними, а также от присутствия
каких-либо магнитных экранов. Приложение С (раздел С.5) дает
формулы для расчета величины взаимной индуктивности, однако
типичные значения для коротких отрезков кабелей лежат в диапазоне
от 0,1 до 3 мкГн. Эквивалентная схема для магнитной связи
представляет собой генератор напряжения, включенный
последовательно в цепь рецептора. На связь не влияет наличие непосредственного
•МС для разработчиков продукции
269
оединения между этими двумя цепями; наведенное напряжение
удет таким же, если цепи изолированы или подсоединены к земле.
Система А
*|Нагруз-!
П ка л
<
<
г
1/
Вход
vN
Система В
Взаимная индуктивность М
JC-
Эквивалентная схема - магнитная связь
(а)
Система А
ПК
Нагрузка!
>
V
Система В
Возможна паразитная
емкость на землю
эис. 5.3 Магнитная и электрическая индукция
Эквивалентная схема - электрическая связь
(Ь)
5.1.1.3 Электрическая индукция
Изменение напряжения на одном проводнике создает
электрическое поле, которое может охватывать близлежащий проводник и
навести напряжение на нем (рис. 5.3,Ь). Напряжение, наведенное на
проводнике рецептора таким способом, определяется по формуле:
VN = Сс • dVJdt • Z.m || Rs, (5.3)
где Сс — емкость связи и Zin \\R — полное сопротивление схемы
рецептора относительно земли.
Это предполагает, что полное сопротивление емкостной связи
намного выше, чем полное сопротивление схемы. Помехи
инжектируются как будто от источника тока со значением Сс • dVJdt. Значение
Сс зависит от расстояния между проводниками, их эффективных
пространственных размеров, от присутствия любого
экранирующего и диэлектрического материала. Как правило, два параллельных
изолированных проводника, расположенные на расстоянии 2,5 мм,
имеют емкость связи около 50 пФ на метр; емкость между первичной
270
Механизмы проникновения помех
и вторичной обмоткой неэкранированного силового трансформатора
средней мощности составляет 100 — 1000 пФ.
Плавающие цепи
В этом случае обе цепи нужно рассматривать относительно земли
для того, чтобы путь связи был полным. Но, если какая-либо цепь
является плавающей, то это не значит, что отсутствует связь:
плавающая цепь будет обладать емкостью по отношению к земле, и она
включена последовательно с явной емкостью связи. Действительно,
существует паразитная емкость непосредственно между узлами
цепи системы А и узлами цепи системы В даже в отсутствии какого-
либо узла заземления. Ток помехи будет все же вводиться через RL,
но его значение будет определяться соотношением Сс и другой
паразитной емкости.
5.1.1.4 Влияние входного сопротивления
Обратите внимание, что различие в эквивалентных схемах для
магнитной и электрической связи означает, что их параметры при
8 ю 20
D(mm)
40 60 80 100
Рис. 5.4 Зависимость взаимной емкости и индуктивности от расстояния между
проводниками:
изменении входного сопротивления цепи будут разными. Связь
через электрическое поле увеличивается с увеличением Zin, в то
время как связь через магнитное поле уменьшается с увеличением
Z.m. Это свойство может быть полезно для диагностических целей;
если можно изменять Zin при наблюдении паразитного напряжения,
можно сделать вывод о преобладающем механизме связи. По той же
самой причине магнитная связь представляет большую проблему
для цепей с низким полным сопротивлением, в то время как элек-
ЭМС для разработчиков продукции 271
трическая связь более свойственна для цепей с высоким полным
сопротивлением.
5.1.1.5 Разнесение цепей
На взаимную емкость и взаимную индуктивность влияет
физическое разнесение проводников рецептора и источника помех. Рис. 5.4
представляет результат изменения взаимной емкости при
разнесении проводников двухпроводных линий в свободном пространстве,
и для взаимной индуктивности двух проводников, расположенных
над плоскостью заземления (плоскость заземления обеспечивает
обратный путь для тока). Приложение С дает уравнения, на основе
которых получен этот график.
5.1.2 Распределенная связь в ближнем поле
5.1.2.1 Низкочастотная модель
Обсуждение в 5.1.1.2 и 5.1.1.3 предполагает, что механизм
связи — индуктивный или емкостной — имеет место в единственной
точке схемы или, по крайней мере, может быть приближен к такой
модели. Это также предполагает, что индуктивная и емкостная
связи могут рассматриваться совершенно отдельно. В
действительности, и особенно для кабелей и проводников печатных плат, такое
предположение не является справедливым. Когда связь имеет место
в ближнем поле между цепями на значительной длине, то оба
механизма взаимодействуют и схема должна анализироваться более
детально. Рассмотрим эквивалентную схему двух проводников в
кабеле, как показано на рис. 5.5. С целью анализа можно предполагать,
что путь обратных токов проводников проходит через удаленную
плоскость заземления. Помеха, вызванная во второй цепи за счет
линия 1
линия 2
f эквивалентная (для jcoC »
схема линии 2
! VM = V1JO)M.1/(RL1+RS1)
Рис. 5.5 Наложение индуктивной и емкостной связи
272
Механизмы проникновения помех
магнитной связи, складывается последовательно с напряжением
на проводнике (VJ, а за счет емкостной связи параллельно с током
(/с). Поэтому суммарная помеха на каждом конце проводника дается
суперпозицией из этих двух источников. Но так как напряжение за
счет магнитной связи складывается последовательно с
проводником, это проявляется в виде одинаковых знаков на одном конце, но
противоположных знаков на дальнем конце:
VNE (С) = 1г • Re21| Ru = VFE (С) (Емкостная связь) (5.4)
VNF (L) = VM - RS2 /(Re2+R, 2) =-VFE (L) (Индуктивная связь) (5.5)
Поэтому
VNF (С) - Vne (С) + Vne (L) = (Ic • RL2 + VM) • (RS2/(RS2+RL2)) (5.6)
Vfe (C) = Vfe (C) + Vfe (L) = (lc • RL2 - VM) • (RS2 / (RS2+RL2)) (5.7)
Это явление перекрестных наводок, и оно определяет существо
терминов «перекрестная помеха на ближнем конце кабеля» (NEXT)
и «перекрестная помеха на дальнем конце кабеля» (FEXT).
5.1.2.2 Высокочастотная модель
Вышеупомянутая модель имеет силу только на низких частотах,
т.е. если длина взаимодействующих линий гораздо меньше, чем
длина волны. Общий подход рассматривает два проводника как
линию передачи с сосредоточенными L и С параметрами и интегрирует
вклады паразитных связей по длине линии. Эти параметры вместе
с полными сопротивлениями источника и оконечной нагрузки
определяют постоянные времени паразитных связей. Приложение С,
раздел С.5, дает полные уравнения связи, а рис. 5.6 представляет их
результат: на частотах ниже контрольной точки, определяемой
постоянной времени подключенной линии, применяется
низкочастотная модель и паразитная связь увеличивается монотонно с частотой.
0.»
0.01
коэффициент
связи
i-кГ3
■-10 7
мог licP Частота, Гц мо' \\
Рис. 5.6 Связь между линиями на высоких частотах (длина линий 5 м)
;;:;х;~::;Х::::::±.:;:::
-
Е низк
Г.1.:."™;:,".':.':";;;:
очастот
на
{*
Е-
....
4"
«од
|
■:■
j
-•■
ел
:;.::.
ц:
i
z:,::.z::z::
rj;
€?::
ь- -
*■■ ■$-?.-?
:Tm
..4,..i.4..f
/П j L
"i м l
:;:;;™|;;;:„
-i-f-j-
1H
I i :
-
f"-f "T ;
,:;:':" ;:~:,~::а:-?:":.Дг^^:;:::Е~|~ь;;:?:;):';
.::;::;::;:::::::; высокочастотная
[ .^ модель i
]\
■™.:;~.±rJ.
:::::::rr:pd
ноль на
частоте
полуволнового
резонанса
1
*
f
н
:;.:;:t
S-
Щ
i
M
1
1
ЭМС для разработчиков продукции
273
На более высоких частотах линии становятся резонансными, и
паразитная связь достигает максимума, вызывая ряд нулей и пиков на
частотах, кратных половине длины волны.
5.1.3 Связь по сети электропитания
* Помехи могут распространяться от источника к рецептору через
распределительную сеть электропитания, к которой они
подключены. Это не очень характерно для высоких частот, тем более что
в подключаемых электрических нагрузках могут присутствовать
фактически любые полные сопротивления на высоких частотах в
точке подсоединения. Мы уже видели, что высокочастотное полное
сопротивление, присущее источнику питания, может в среднем
составлять приблизительно 50 Ом с параллельным включением
индуктивности в 50 мкГн (п. 3.1.2.3). При малых расстояниях между
соединяемыми устройствами связь через кабель питания
соединения может быть представлена эквивалентной схемой, показанной на
рис. 5.7.
L.N
Ослабление
дБ/30 м 20 -
Частота, МГц
0 1 1 10
Рис. 5.7 Связь посредством кабеля питания
5.1.4 Связь посредством излучения
Этот раздел является не более чем знакомством с необходимыми
идеями. Теория электромагнитных волн хорошо описана во многих
других работах [3], [7], [14].
5.1.4.1 Возникновение поля
Электрическое поле (Е-поле) создается между двумя
проводниками с различными потенциалами. Поле измеряется в вольтах на
метр и пропорционально подаваемому напряжению, деленному на
расстояние между проводниками.
274
Механизмы проникновения помех
Магнитное поле (Н-поле) создается вокруг проводника, по
которому протекает ток, измеряется в амперах на метр и пропорционально
току, деленному на расстояние от проводника.
Когда переменное напряжение создает переменный ток в цепи
проводников, вокруг них создается электромагнитная волна (ЭМВ),
которая распространяется как комбинация Е- и Н-полей. Скорость
ее распространения определяется средой; в свободном пространстве
она равна скорости света З'Ю8 м/с. Вблизи излучающего источника
геометрия и напряженность поля зависят от характеристик
источника. Проводник, по которому протекает ток с существенным
значением di/dt, генерирует главным образом магнитное поле; а у которого
напряжение изменяется с высокой скоростью dv/dt — генерирует
главным образом электрическое поле. Структура этих областей будет
определяться физическим расположением исходных проводников,
а также другими близко расположенными проводниками,
диэлектриками и магнитными материалами. Вдали от источника сложная
трехмерная структура поля претерпевает изменение, и остаются
только компоненты, которые являются ортогональными друг к другу
и к направлению распространения. Рис. 5.8 демонстрирует эти идеи
графически.
r(m)
d(m)
Электрическое (Е) поле
Магнитное (Н) поле
Источник
излучения
Поле ближней зоны
Поле дальней зоны
Плоскость Е-поля
Направление
пространения
Плоскость Н-поля,,,
Отношение Е/Н
п v - у / постоянно
Поле сложной геометрии;
отношение Е/Н
изменяется
с расстоянием Электромагнитная волна
Рис. 5.8 Электромагнитные поля
ЭМС для разработчиков продукции
275
5.1.4.2 Волновое сопротивление
Отношение напряженности электрического поля к
напряженности магнитного поля (Е/Н) называется волновым сопротивлением
(рис. 5.9). Волновое сопротивление — ключевой параметр любой
поскольку оно определяет эффективность связи с другими
10k _,
о
1000
1
100
10
Превалирующее
электрическое поле
Сопротивление в ближней
зоне может быть произвольным
Плоская волна
Z = 377Om
Превалирующее
магнитное поле
Ближняя зона
Дальняя зона
0.1 1 10
Расстояние от источника, нормированное относительно Х/2я
Рис. 5.9 Волновое сопротивление
проводящими структурами, и также эффективность любого
проводящего экрана, который используется для блокировки поля. В
дальней области, которая имеет место для d> Х/2тг, интенсивность Е- и
Н-поля волны, известной как плоская ЭМВ, уменьшается с
расстоянием прямо пропорционально. Поэтому волновое сопротивление
для ЭМВ постоянно и равно волновому сопротивлению свободного
пространства, которое дается уравнением (5.8):
Zo =
120-ir = 377 Ом,
(5.8)
где ji0 = 4ir-107 Гн/м (магнитная проницаемость свободного
пространства — магнитная постоянная), и е0 = 8,85*1012 Ф/м
(диэлектрическая проницаемость свободного пространства —
диэлектрическая постоянная)
В ближней зоне d < Х/2тг, волновое сопротивление определяется в
соответствии с характеристиками источника. Низкий ток и высокий
потенциал излучателя (например, штыря) будут создавать главным
276 Механизмы проникновения помех
образом электрическое поле с высоким волновым сопротивлением,
в то время как большой ток и низкий потенциал излучателя
(например, петля с током) будут создавать главным образом магнитное
поле низкого волнового сопротивления. Если в особом случае
излучающая структура имеет волновое сопротивление около 377 Ом, то
в зависимости от геометрии плоская волна может быть фактически
создана в ближней зоне.
Зона в окрестности \/2тт (приблизительно шестая часть длины
волны) является переходной между ближней и дальней зонами.
Это не точный критерий, скорее это определяет зону, в пределах
которой структура поля изменяется от сложной к простой. Плоские
волны всегда принимаются для описания дальней зоны, в то время
как в ближней зоне отдельно рассматривается электрическое или
магнитное поле. Приложение С представляет формулы (уравнения
Максвелла), которые подкрепляют это описание.
5.1.4.3 Критерий Релея
Есть другое определение переходной области между ближней и
дальней зоной, которое определяется диапазоном Релея. Это
определение основывается не на структуре поля согласно уравнениям
Максвелла, а на характере излучения от любой физической антенны
(или испытуемого оборудования — ИО), которая(ое) является
слишком большим, чтобы рассматриваться как точечный источник. Для
дальней зоны предполагается, что фазовые различия между
компонентами поля, излучаемыми крайними точками антенны, должны
быть малы, и поэтому различия в путях прохождения волны для
этих точек также должны быть малы, по сравнению с длиной волны.
Это определяет критерий, который связывает длину волны и
максимальный размер антенны (или ИО) с расстоянием от нее. Используя
критерий Релея, дальняя зона определяется как пространство на
расстоянии большем, чем:
d > 2D2/K (5.9)
где D — максимальный размер антенны.
Таблица 5.1 Расстояния перехода в зону дальнего поля по критерию Релея и
уравнениям Максвелла
Частота
10 МГц
Максимальный
размер D (м)
1
Критерий Релея
(м)
0,067
3 I 0,6
Критерий Максвелла
с/=\/2тт(м)
4,77
ЭМС для разработчиков продукции
277
30 МГц
100 МГц
300 МГц
1ГГц
1
3
0,3
1
о
0,3
1
0,3
1
0,2
0,6
0,06
0,67
6,0
0,18
2,0
0,6
6.67
1,59
0,477
0,159
0,0477
Таблица 5.1 показывает сравнение расстояний по этим двум
критериям для переходной области от ближней к дальней зоне при
различных частотах и размерах испытуемого оборудования. Обратите
внимание, как для типичных размеров ИО критерий Релея
определяет условие дальнего поля при частотах выше 100 — 200 МГц.
5.1.5 Типы паразитной связи
Понятия типов паразитной связи: симметричный
(дифференциальный), несимметричный (общий) и антенный — являются
фундаментальными для понимания ЭМС и будут появляться в
разнообразии видов повсюду в этой книге. Они применяются к
описанию паразитной связи как через эмиссию, так и поступающих извне
помех.
5.1.5.1 Дифференциальный тип
Рассмотрим два изделия, соединенных кабелем (рис. 5.10).
Кабель несет токи сигнала в дифференциальном режиме (прямой и
обратный) по двум проводам, расположенным в непосредственной
близости.
Излучаемое поле может влиять на данную систему и наводить
помеху симметричного типа между двумя проводниками; точно так
же ток, протекающий по проводникам, будет создавать собственное
поле. Заземляющие поверхности (которые могут быть внешними
для оборудования или сформированы его несущей конструкцией) не
играют никакой роли в создании данного типа паразитной связи.
5.1.5.2 Синфазный (общий) тип связи
В кабеле также протекает ток общего вида, т.е. протекающий в
одном направлении по каждому проводнику. Эти токи очень часто не
имеют ничего общего с полезным сигналом. Они могут быть вызваны
внешним полем в контуре, сформированном кабелем, плоскостью
278
Механизмы проникновения помех
Дифференциальный
режим
Т
Общий режим
Затененные области
показывают часть цепи,
связанную с внешними
полями
Антенный режим
Рис. 5.10 Связь за счет излучения
заземления и разнообразными полными сопротивлениями
подсоединенного оборудования по отношению к земле. Поэтому они могут
быть причиной симметричных внутренних токов, по отношению к
которым оборудование является восприимчивым. Действительно,
они могут быть произведены внутренними шумовыми
напряжениями между точкой заземления и точкой подсоединения кабеля
и ответственны за эмиссию излучаемых помех. Существование ВЧ
токов общего вида означают, что никакой кабель, безотносительно
к сигналу, для которого он мог быть предназначен — даже
единственный проводник, — не может рассматриваться как безопасный
с точки зрения ЭМС. Отметим, что паразитные емкости и
индуктивности, связанные с монтажными проводниками и корпусом
каждого устройства, являются неотъемлемой частью паразитных токов
общего вида и играют большую роль в определении амплитуды и
спектрального распределения токов общего вида. Эти паразитные
полные сопротивления являются побочными параметрами, появля-
ЭМС для разработчиков продукции 279
ющимися при проектировании оборудования. Они не проявляются
на диаграммах тока, и их намного тяжелее контролировать или
прогнозировать, чем такие параметры, как расположение кабеля
или фильтрация, которые определяют паразитную связь
дифференциального вида.
5.1.5.3 Паразитная связь в режиме антенны
Токи в режиме антенны текут в том же направлении как в
кабеле, так и в плоскости заземления. Они не возникают в результате
внутренне созданных помех, однако они будут иметь место, когда
вся система, включая плоскость заземления, подвергается
воздействию внешнего поля. Типичный пример, когда самолет пролетает
луч радара; структура самолета, которая служит как плоскость
заземления для его внутреннего оборудования, несет те же токи,
что и внутренние проводные соединения. Токи в режиме антенны
становятся проблемой только для восприимчивости к излучаемому
полю изолированных систем, когда эти токи преобразовываются к
дифференциальному или общему виду за счет изменения полных
сопротивлений различных цепей протекания токов.
5.1.5.4 Преобразование дифференциального сигнала в
синфазный и обратно
Хотя выше и было сказано, что токи синфазного вида могут быть
не связаны с полезными токами сигнала, возможны компоненты
синфазного тока, которые обусловлены током сигнала.
Преобразование происходит в том случае, когда два сигнальных проводника
представляют отличающиеся полные сопротивления по отношению
к окружающей среде, представленной внешним заземлением. Эти
полные сопротивления доминируют в ВЧ-диапазоне за счет
паразитной емкости и индуктивности, связанных с физическим
расположением, и находятся только под контролем проектировщика
схемы, так же как он ответствен за физическое расположение
компонентам.
На рис. 5.11 ток дифференциального типа IDM создает
напряжение полезного сигнала на нагрузке J?L. Ток общего вида JCM не течет
через i?L непосредственно, а течет через полные сопротивления ZA,
ZB и обратно через внешнее заземление. Сопротивления ZA, ZB — не
элементы схемы, а являются распределенными паразитными
полными сопротивлениями, как правило, но не всегда, емкостного
характера, и определяемыми такими факторами, как площадью
поверхности проводников и компонентов печатной платы и их
280
Механизмы проникновения помех
близостью к металлоконструкции шасси и другим частям
оборудования. Если ZA= ZB , тогда отсутствует напряжение на Rh за счет
синфазного тока /см . Но любое неравенство в этих сопротивлениях
приводит к появлению такого напряжения, которое
пропорционально разности полных сопротивлений:
V.
(5.10)
По этой причине схемы, которые несут высокочастотные
мешающие сигналы (например, широкополосные данные или видео) или ко-
Возбуждаемая
цепь
Паразитные
цепи
Рис. 5.11 Преобразования дифференциального сигнала в синазный
торые могут быть восприимчивы к высокочастотным помехам,
тщательно проектируются так, чтобы полные паразитные сопротивления
каждого проводника были сбалансированы настолько, насколько это
возможно. В действительности используется дроссель синфазного
типа (раздел 8.2.4.1), который демпфирует дисбаланс побочных
сигналов и уменьшает величину /см. Увеличивающаяся популярность
широкополосной передачи данных по неэкранированным кабелям в
пределах и между зданиями обострила проблему помех, излучаемых
такими кабелями. Как баланс цепи с обоих концов кабеля, так и
баланс самого кабеля непосредственно, поскольку он проходит близко к
другим проводящим структурам в его окружающей среде, является
важным фактором. Это в значительной степени определено качеством
кабельной конструкции и выражается в параметре кабеля, известном
как «затухание продольного перехода» (LCL), которое может быть
определено. LCL рассматривается более подробно в разделе 8.1.7.1.
5.1.5.5 Обобщение
Основные идеи, продемонстрированные схемами на рис. 5.10
и 5.11, не ограничивают типы распространения токов по кабелям
между модулями.
ЭМС для разработчиков продукции 281
Схемы могут быть расширены за счет включения схем
распространения токов от внутренних соединений между печатными
платами в отдельном модуле или от проводников между частями
печатной платы, установленной на шасси. Многие проблемы ЭМС
изделий могут определяться в протекании синфазных токов внутри
них, а также и вне них.
5.2 Помехоэмиссия
При проектировании изделия по техническим требованиям
без знания системы или окружающей среды, в которой оно будет
установлено, обычно разделяют аспекты помехоэмиссии и
помехоустойчивости и проектирование ведется с целью удовлетворения
минимума требований для каждого из них. Соответствующие нормы
установлены в различных стандартах, но отдельные потребители
или секторы рынка могут иметь более специфические требования.
В тех стандартах, которые разработаны СИСПР (см. гл. 2),
помехоэмиссия подразделяется на эмиссию излучаемых помех от системы
в целом и кондуктивную помехоэмиссию, в интерфейсных и
силовых кабелях. Традиционно граница между излучаемой (высокая
частота) и кондуктивнои (низкая частота) эмиссией установлена на
частоте 30 МГц, прежде всего для удобства измерения. Эмиссия
излучения может быть подразделена на эмиссию от
дифференциальных токов на внутренних печатных платах или других проводных
соединениях и от синфазных токов на печатных платах, или
проводящих структурах, или же от токов на внешних кабелях, которые
подключены к оборудованию.
5.2.1 Эмиссия излучаемых помех
5.2.1.1 Излучение от печатных плат
В большинстве изделий первичными источниками являются
токи, протекающие в схемах (цепи синхронизации и данных,
усилители видео, другие генераторы), которые установлены на
печатных платах. Часть энергии излучается непосредственно от печатной
платы, которая может быть смоделирована как малая рамочная
антенна, по которой протекает ток помехи (рис. 5.12). Малая
рамка — рамка, размеры которой меньше четверти длины волны (Х/4)
на рассматриваемой частоте (например, 1 метр на частоте 75 МГц).
Большинство контуров на печатных платах могут считаться
«малыми» на частотах эмиссии вплоть до нескольких сотен МГц. Когда
размеры достигают Х/4, токи в различных точках контура появля-
282
Механизмы проникновения помех
ются не в фазе, поэтому результатом является уменьшение
напряженности поля в любой заданной точке.
Ток!
Л
Петля площадью А, сформированная сигнальными и обратными
проводниками
Рис. 5.12 Эмиссия излучаемых помех
Максимальная напряженность электрического поля от такой
петли над плоскостью заземления на 10-метровом расстоянии
пропорциональна квадрату частоты:
Е = 263-10'2 (f2 -A •/), В/м, [12],
(5.11)
где А — площадь петли в см2,
/ (МГц) — частота тока,
1д — ток источника в мА.
В свободном пространстве поле уменьшается пропорционально
расстоянию от источника. Расстояние 10 м используется как
стандартное расстояние измерения для Европы в стандартах на эмиссию
излучаемых помех. Для худшего случая допускается усиление поля
в 2 раза из-за отражения от плоскости заземления, которая
является также требуемой деталью испытаний по стандартам.
Контур, площадь которого должна быть известна, представляет
собой полный путь протекания тока сигнала в прямом и обратном
направлениях. Уравнение (5.11) предполагает, что /а содержит
единственную частоту. Для прямоугольных сигналов с множеством
гармоник для / должен использоваться спектр Фурье. Эти аспекты
будут снова рассматриваться в разделе 7.1.2.
Оценка проекта печатной платы
Можно использовать уравнение (5.11), чтобы грубо
определить, будет ли данный проект печатной платы нуждаться в
дополнительном экранировании. Например, если А = 10 см,
ЭМС для разработчиков продукции 283
/з= 20 мА, f = 50 МГц, то напряженность поля Е составляет
42 дБмкВ/м, которая на 12 дБ выше европейской нормы класса В.
Таким образом, если частота и рабочий ток установлены, а площадь
контура не может быть уменьшена, экранирование будет
необходимо.
Но обратное не является верным. Излучение
дифференциального типа от небольших контуров на печатных платах отнюдь не
единственный источник эмиссии излучения. Токи синфазного типа,
протекающие по печатной плате и по присоединенным кабелям,
могут вносить вклад гораздо больше. Пауль [106] идет дальше, когда
говорит:
«Прогнозирование эмиссии излучаемых помех, основанное
только на токах дифференциального типа, не будет вообще похоже на
измеренные уровни эмиссии излучения. Следовательно, базируя
систему проектирования по параметрам ЭМС на токах
дифференциального типа и соответствующих моделях, которые пренебрегают
рассмотрением эмиссии излучаемых помех (обычно намного
большей) от токов синфазного типа, можно прийти к твердому «ложному
чувству безопасности».
Токи синфазного типа на самой печатной плате вообще нелегко
прогнозировать, в отличие от токов дифференциального типа,
которые определяются законом Кирхгоффа для тока.
Обратный путь для токов синфазного типа осуществляется через
паразитную емкость (ток смещения) к другим близлежащим
объектам, и поэтому полное прогнозирование должно бы принимать во
внимание детальную механическую структуру печатной платы и ее
корпуса, а также их близость к земле и другому оборудованию. За
исключением тривиальных случаев это практически невозможно.
По этой причине проектирование по параметрам ЭМС больше, чем
любая другая область техники, заслужила себе известность как
«черное искусство».
5.2.1.2 Излучение от кабелей
К счастью (с некоторых точек зрения), паразитная связь через
излучение в диапазоне ОВЧ имеет тенденцию быть доминирующей за
счет эмиссии кабелей по сравнению с прямым излучением от
печатной платы. Это происходит по той простой причине, что типичные
кабели имеют резонанс в области 30 —100 МГц, и их эффективность
излучения выше, чем печатной платы на этих частотах. Ток
помехи создается в синфазном режиме от мешающих сигналов земли,
исходящих через печатную плату, или в других местах в оборудо-
284
Механизмы проникновения помех
вании, и может протекать по проводникам или по экрану
экранированного кабеля. Модель для этого случая хорошо описывается в
[33]. Упрощенно емкости между создающими шум проводниками и
внешней землей или между заземлением печатной платы и внешней
землей, формируют сеть для возвращения токов, которые вводятся
в кабели, подсоединенные к печатной плате. Может быть создана
более детальная модель, которая включает индуктивность печатных
проводников и плоскости заземления. Ссылка [33] описывает, как
возможно по этой модели получить параметры паразитной связи
для платы. Затем эти параметры будут применяться в
крупномасштабной системе (с корпусом и кабелями), в которой плата является
узлом для прогнозирования эмиссии излучения синфазного типа.
Моделью для излучения кабеля на более низких частотах
(рис. 5.13) является короткая (L < Х/4) несимметричная антенна над
плоскостью заземления. В случае когда длина кабеля такова, что
Кабель
Соединение заземления
может быть за счет паразитной
емкости i
ОМ
Эмиссия излучения
( Напряжение шума в заземлении VH
Т
Напряжение шума в заземлении V,
Рис. 5.13 Эмиссия излучения от кабеля
Ток в общем режиме !„
возникают резонансы, модель становится недействительной; (см.
раздел С.З в приложении С для уравнения, описывающего эмиссию
от резонирующих кабелей). Максимальная напряженность поля
с разрешением + 6 дБ для отражений от плоскости заземления на
расстоянии 10 м за счет данного излучения прямо пропорциональна
частоте:
Е= 1,26-10 4(f-L
(5.12)
ЭМС для разработчиков продукции 285
где L — длина кабеля в метрах и /см — ток синфазного типа на
частоте / МГц в мА, протекающий в кабеле.
Для 1 м кабеля /см должен быть меньше 20 мкА для того, чтобы
напряженность поля на расстоянии 10 м составляла 42 дБмкВ/м для
частоты 50 МГц, т.е. в тысячу раз меньше, чем эквивалентный ток
дифференциального типа! Чтобы выполнить норму в 30 дБмкВ/м,
ток должен быть на 12 дБ или в четыре раза меньше, т.е. 5 мкА при
этих условиях. И действительно это значение 5 мкА при измерениях
синфазного тока кабеля рассматривается как хороший индикатор
вероятного соответствия с нормами для эмиссии излучения [5] —
при значении больше, чем 5 мкА, изделие имеет достаточный шанс
не пройти испытания на соответствие. Ток /гм может быть легко
измерен в исследовательской лаборатории, используя токовый
пробник или поглощающие клещи (см. раздел 3.1.2.5), и поэтому данные
измерения формируют полезные диагностические или предаттеста-
ционные проверки при продвижении данного изделия.
Шум синфазного типа в кабеле
Рискуя повториться, жизненно необходимо хорошо понимать
различие между токами кабеля синфазного и дифференциального типа.
Ток дифференциального типа JDM на рисунке 5.13 является током,
который течет в одном направлении по одному проводнику кабеля и
в обратном направлении по другому. Он обычно равен току сигнала
или электропитания, и не присутствует на экране. Он мало вносит
в конечное излучение, поскольку общая площадь контура,
образованного этими двумя проводниками, мала, а поля от токов в
проводниках стремятся компенсировать друг друга. Ток синфазного типа
1СМ течет в одном направлении по всем проводникам кабеля, включая
экран. Этот ток имеет отношение к токам сигнала
(дифференциального типа) только поскольку они преобразуются в синфазный сигнал
за счет несбалансированности полных внешних сопротивлений и
могут совершенно не соответствовать им. Например, кабель интерфейса
RS-232 будет нести данные со скоростью около 19,2 кБод, но может
также нести шум синфазного типа от цепи заземления, которая
загрязнена токами от цепей синхронизации процессора и его
гармониками на частотах в сотни МГц. Этот шум возвращается через
связанную сеть заземления, и поэтому излучающая площадь контура
большая и неконтролируемая. В результате даже малый ток может
давать в результате существенную эмиссию излучаемых помех.
288
Механизмы проникновения помех
счет помех, распространяющихся через звенья постоянного тока
переключаемых устройств. Хотя обычно имеется накопительный
конденсатор, высокое значение di/dt через этот конденсатор
создаст напряжения гармоник частоты переключения на его
эквивалентном последовательном полном сопротивлении. Диодный
шум, если это существенно, будет также проявляться как сигнал
дифференциального типа.
(а) обобщенная
эквивалентная схема
(Ь) источники помех дифференциального типа
Источник напряжения и Типичный источник: коммутация токов,
полного сопротивления вызывающее напряжение на выходе выпрямителя
дифференциального
режима
(с) Источники помех синфазного типа
Типичные источники:
в источнике питания
dV/dt и шумы цепей из-за
паразитной емкости
Источник напряжения и
полного сопротивления
общего режима _
Рис. 5.15 Эквивалентные схемы для испытаний в отношении эмиссии кондуктивных
помех
Источник синфазного типа (рис. 5.15,с) более сложен.
Напряжение синфазного сигнала появляется между и «горячим», и
нейтральным проводниками относительно земли. Так как входы
электропитания нормально изолированы от земли, паразитная связь
синфазного типа обычно является емкостной.
В паразитной связи преобладают межвитковые емкости
изолирующего трансформатора и паразитные емкости источников шума,
ЭМС для разработчиков продукции 289
как от источника питания (например, от теплоотводов), так и от
функционирующих схем. Эти емкости рассматриваются
относительно земли или непосредственно, или через корпус, если он
проводящий. Хорошо экранированный корпус минимизирует «утечку»
этой емкостной связи и, следовательно, уменьшает кондуктивную
эмиссию. В тракте паразитной связи могут появляться другие
полные сопротивления: например, индуктивность рассеяния
изолирующего трансформатора является последовательной с его межвитко-
вой емкостью и может создавать последовательность резонансных
максимумов в диапазоне МГц.
5.3 Помехоустойчивость
Электронное оборудование может быть восприимчиво к
электромагнитным полям окружающей среды и/или к помехам,
проникающим через его порты благодаря подсоединенным кабелям.
Электростатический разряд может проникать в устройство через кабели
или его корпус. Разряд в непосредственной близости от устройства
может создавать локальное поле, которое непосредственно влияет на
оборудование. Потенциальные угрозы представляют:
• излучаемые радиочастотные электромагнитные поля,
• кондуктивные переходные процессы,
• электростатический разряд (ЭСР),
• магнитные поля,
• изменения напряжения электропитания.
Не говоря о юридических требованиях, оборудование, которое
разработано так, чтобы быть устойчевым к этим эффектам и особенно к
ЭСР и переходным процессам, будет обеспечивать его изготовителю
экономию значительных средств за счет повышения надежности и
уменьшения объема производственных доработок. Хотя многие
аспекты управления помехоэмиссией приемлемы для обеспечения
помехоустойчивости, в некоторых случаях экранирование и применение цепей
подавления помех, которые требуются для защиты от ЭСР или
высокочастотных помех, могут быть более применимы для простого решения
по обеспечению соответствия стандартам помехоэмиссии.
5.3.1 Излучаемые поля
Внешнее поле может влиять или непосредственно на
внутренние схемы и проводные соединения в режиме дифференциального
сигнала, или на кабели, вызывая ток синфазного вида (рис. 5.16).
Паразитная связь с внутренними проводными соединениями и про-
290
Механизмы проникновения помех
водниками на печатных платах наиболее сильна на частотах выше
нескольких сотен МГц, так как при длине проводных соединений в
несколько дюймов возникает резонанс на этих частотах.
Поле, влияющее на внутренние
проводники и компоненты
Поле, воздействующее на кабель, и вызывающее
ток общего режима во входных цепях
--
(
^~~ Рецептор
Возможная стоячая
волна в корпусе
паразитная емкость
Рир. 5.16 Паразитная связь через излучаемое поле
Радиочастотные напряжения или токи в аналоговых схемах
могут возникать за счет нелинейности, перегрузки или смещения по
постоянному току, а в цифровых схемах могут искажать передачу
данных [111]. Модулированные поля могут иметь больший эффект,
чем немодулированные. Вероятные источники излучаемых полей —
портативные радиостанции, сотовые телефоны, мощные
радиовещательные передатчики и радары. Напряженности поля между 1 и 10
В/м являются типичными в диапазоне частот от 20 МГц до 1 ГГц,
а более высокие напряженности поля могут иметь место вблизи от
таких источников.
Взаимность
Поскольку механизмы паразитной связи применительно к
помехоустойчивости по существу те же самые, что и при ограничении
помехоэмиссии, был развит принцип взаимности. По существу, он
устанавливает, что:
• изменения в механизме связи, которые уменьшают эмиссию в
определенном диапазоне частот, будут также улучшать
устойчивость в том же диапазоне частот; или, с другой стороны:
• частоты, на которых помехоэмиссия является чрезвычайно
неприятным явлением, будут теми же, на которых имеют место
проблемы помехоустойчивости.
ЭМС для разработчиков продукции
291
Эта концепция опирается на тот факт, что механизмы связи
обычно представляют резонансные явления, которые максимизируют
связь на некоторых частотах. Принципу взаимности не следует
придавать слишком большого значения: фактические характеристики
ЭМС зависят от функционирования как источника, так и рецептора,
а также от связи между ними и от того, насколько они взаимны или
линейны. Тем не менее понимание принципа может помочь бороться
со многими проблемами, обусловленными паразитной связью.
5.3.1.1 Резонанс в кабелях
Кабели наиболее эффективны при передаче радиочастотной
энергии в оборудование в более низком диапазоне ОВЧ-спектра (30 —
100 МГц). Внешнее поле индуцирует ток синфазного типа в экране
кабеля или на всех проводниках кабеля одновременно, если они не
экранированы. Воздействие тока кабеля синфазного типа
доминирует над непосредственным влиянием поля на оборудование до тех
пор, пока размеры изделия малы по сравнению с половиной длины
волны мешающего сигнала.
Кабель, связанный с заземленным оборудованием-рецептором,
может быть представлен моделью в виде отдельного проводника над
плоскостью заземления, который проявляется как линия передачи
(рис. 5.17, и сравнить это также с рис. 5.6). Ток, индуцированный в
Линия передами с волновым сопротивлением
которое определяется физической геог
Рецептор
40
20
Относительное,
значение ^д
-20
-40
-60
длина и
ДОПЛОС
абеля 1 м, расстс
юстизаземлени
о
>яние
НОсм
*^
•**
сопротшекие, равное 2(
1 III
1
л
п
\
1
V
У
/
1
0.1
1
10
Частота, МГц
Рис. 5.17 Влияние излучаемого поля на кабель
100
1ГГц
такой линии передачи внешним полем, устойчиво увеличивается с
частотой, пока не будет достигнут первый резонанс, после, которого
292
Механизмы проникновения помех
Ток
Напряжение
АУ2
Эффективная электрическая длина
, Емкостная нагрузка: снижение Fres. 7 - Z .. =35Ом
Эффективная электрическая длина
Индуктивная нагрузка: снижение Frt
Рис. 5.18 Распределение тока и напряжения вдоль резонансного кабеля
ЭМС для разработчиков продукции 293
проявляется последовательность пиков и нулей при более высоких
частотах резонанса [201]. Механизм паразитной связи
усиливается на резонансной частоте кабеля, которая зависит от его длины
и от реактивной нагрузки любого оборудования, подсоединенного
к нему. Для частоты 37,5 МГц — 2 м является полуволновым
резонансным отрезком, а для частоты 75 МГц — четвертьволновым
резонансным отрезком.
Нагрузка кабелей
Режим доминирующего резонанса зависит от радиочастотного
полного сопротивления (высокого или низкого) на дальнем конце
кабеля. Если кабель подсоединен к незаземленному объекту типа
переносного контроллера, он будет иметь высокое сопротивление,
которое будет причиной большого паразитного тока при
четвертьволновом резонансе и большого паразитного напряжения при
полуволновом резонансе. Дополнительная емкостная нагрузка, как,
например, емкость тела человека, понизит резонансную частоту.
Наоборот, кабель, подсоединенный к заземленному объекту, как,
например, отдельное заземленное периферийное устройство, будет
иметь низкое полное сопротивление на дальнем конце, будет
создавать большой паразитный ток на частоте полуволнового резонанса
и большое паразитное напряжение при четвертьволновом
резонансе. Дополнительная индуктивная нагрузка, типа индуктивности
заземляющего подключения, приведет к снижению резонансной
частоты.
Эти результаты суммированы на рис. 5.18. Радиочастотное
полное сопротивление синфазного типа для кабеля изменяется от
приблизительно 35 Ом для четвертьволнового резонанса до нескольких
сотен Ом при максимуме. Подходящее среднее значение для ВЧ
полного сопротивления (и оно принято во многих стандартах) —
150 Ом. Поскольку конфигурация кабеля, размещение и близость
к заземленным объектам находится вне контроля проектировщика,
попытки точно прогнозировать резонансы и полные сопротивления
мало продуктивны.
5.3.1.2 Инжекция тока
Удобный метод проверки устойчивости к радиочастотным
помехам оборудования независимо отконфигурации его кабелей
состоит в том, чтобы ввести радиочастотную энергию как ток или
напряжение синфазного типа непосредственно на кабельный порт
(см. также раздел 4.1.4) [90]. Он хорошо моделирует ситуации с пара-
294
Механизмы проникновения помех
зитной связью, существующие в реальной жизни для более низких
частот, пока размеры оборудования не приближаются к половине
длины волны. Он может также воспроизводить поля (ERF и HRF ),
сопутствующие паразитным связям через излучаемое поле. Путь
проникновения токов помех и, следовательно, их влияние на схему
зависит от различных внутренних и внешних радиочастотных
полных сопротивлений по отношению к земле, как показано рис. 5.19-
Подсоединение других кабелей изменяет ток, текущий в отмечен-
1500м
Печатная плата
_ . соединяющий
кабель
1500м
J^ • плотность радиочастотного синфазного тока, протекающего по печатной плате
Рис. 5.19 Радиочастотная инжекция синфазного типа
ном на направлении, особенно если дополнительные кабели будут
соединять физически различные области элементов печатной плате
или оборудования. Применяемое напряжение в 1 В, или
инжектированный ток в 3 — 10 мА, могут быть приняты как соответствующие
типичным случаям напряженности излучаемого поля 1 В/м. Однако
есть значительное разногласие по вопросу о некотором единственном
значении для преобразования излучаемого поля в инжектируемые
ток или напряжение, и поэтому обычно принимается, что кондук-
тивные испытания не отражают в должной мере излучаемые
испытания [107] из-за изменчивости параметров кабельных соединений.
5.3.1.3 Объемный резонанс
В экранированном корпусе могут возникать объемные резонансы;
стоячие волны поля формируются между противоположными
сторонами, если размер между сторонами кратен половине длины волны.
Электрическое поле увеличивается в середине этого объема, в то время кан
магнитное поле увеличено на сторонах. Это явление обычно определяе1
максимумы восприимчивости в зависимости от частотных параметра
в диапазоне сверхвысоких частот, а также вклад в характер взаимност!
максимумов восприимчивости, соответствующих максимуму эмиссия
Это обсуждается далее в разделе 8.3.3.
ЭМС для разработчиков продукции
295
5.3.2 Переходные помехи
Переходные перенапряжения в сети электропитания происходят
из-за операций переключения, устранения аварий или ударов молнии
в каком-либо месте сети. Переходные помехи свыше 1 кВ составляют
приблизительно 0,1% общего количества наблюдаемых
электромагнитных возмущений. В исследованиях, проведенных ZVEI [67], сделан
статистический обзор 28 000 переходных процессов в цепях
фаза-земля, превышающих 100 В, на 40 объектах с общим количеством
времени измерения приблизительно 3400 часов. Полученные результаты
были проанализированы в отношении пиковой амплитуды, скорости
нарастания и энергии помехи. Таблица 5.2 показывает среднее число
возникновения переходных помех в единицу времени для четырех
классов объектов, а рис. 5.20 представляет относительное число пере-
100
10
0.1
0.01
>
к-
-V
30 100 300 1k
О Линия электропитания (V, Ш В}
О Линии телекоммуникаций (VT 50 В)
Зк
Рис. 5.20 Относительное число переходных процессов (%) с максимальными
амплитудами (В)
ходных помех как функции максимальной ее амплитуды. Из графика
видно, что число переходных помех изменяется приблизительно
обратно пропорционально кубу пикового напряжения.
296 Механизмы проникновения помех
Таблица 5.1 Среднее число возникновения переходных помех в сети питания
Класс объектов
Промышленность
Бизнес
быт
Лаборатория
Среднее число возникновения (число переходных помех/час)
17,5
2,8
0,6
2,3
Переходные помехи большой энергии могут угрожать активным
устройствам источника питания оборудования. Помехи с быстрым
фронтом нарастания наиболее опасны для функционирования схем,
так как они уменьшаются в меньшей степени трактами паразитных
связей и они могут создавать большие напряжения на
индуктивности заземления и цепей передачи сигналов. Исследования ZVEI
показали, что скорость нарастания увеличивается
приблизительно пропорционально квадратному корню пикового напряжения
и обычно составляет 3 В/нс для импульсов с амплитудой 200 В и
10 В/нс для импульсов 2 кВ. Другие исследования поля показали,
что механические переключения создают многократные переходные
помехи (пачки) со временами нарастания короче нескольких
наносекунд и пиковые амплитуды в несколько сот вольт. Ослабление в сети
электропитания (см. раздел 5.1.3) ограничивает импульсы с коротким
временем нарастания, вследствие чего они появляются локально.
Аналоговые схемы практически невосприимчивы к отдельным
коротким переходным помехам, в то время как цифровые схемы
легко сбиваются ими. Поэтому, в качестве общей рекомендации,
микропроцессорное оборудование следует испытывать на устойчивость к
импульсным помехам с пиковой амплитудой по крайней мере до 2 кВ.
Пороги устойчивости ниже 1 кВ дадут неприемлемо частые сбои
оборудования почти во всех окружающих средах, в то время как для уровней
1 кВ—2 кВ будут иметь место случайные сбои. Для оборудования
высокой надежности рекомендуется порог 4—6 кВ.
5.3.2.1 Тип связи
Переходные помехи в сети электропитания могут проявляться как
напряжения дифференциального типа (симметрично между фазным и
нейтральным проводниками) или синфазного типа (асимметрично
между фазным/нейтральным и заземляющим проводниками). Паразитная
связь между проводниками в сети электропитания имеет тенденцию
смешивать эти два способа.
Импульсные помехи дифференциального типа обычно
соответствуют относительно медленным временам нарастания и
высокой энергии, и требуют подавления для предотвращения выхода
ЭМС для разработчиков продукции 297
из строя входной цепи, но не влияют на функционирование схем
зущественно, если такое подавление выполнено. Переходные
помехи синфазного типа труднее подавить, потому что они
требуют подключения компонентов подавления между фазным и
заземляющим проводниками, или последовательно с земляющим
проводником, а также из-за того, что паразитные емкости по
отношению к земле тяжелее контролировать. Пути проникновения
таких помех весьма подобны тем, которые соответствуют
радиочастотными сигналам синфазного типа. К сожалению, они также
и более разрушительны по последствиям, потому что результатом
их действия являются переходные токи, протекающие в
заземляющих трассах.
5.3.2.2. Спектральная плотность и энергия помех
Переходные помехи в своей основе широкополосные, и их
частотное распределение описывается спектральной плотностью амплитуды:
т.е. зависимостью амплитуды в определенной полосе пропускания от
частоты, и выражается в вольтах на герц или вольт-секундах. Если
фактическая форма переходной помехи известна, то спектральная
плотность может быть получена путем преобразования Фурье формы
импульса. Конечно, в общем случае, формы реальных переходных помех
изменяются широко, однако рис. 5.21 показывает спектральные
плотности помех, которые были регламентированы в серии стандартов МЭК
61000-4 для испытаний на устойчивость. Если передаточная функция
паразитной связи в частотной области известна даже приблизительно,
то спектральная плотность может быть умножена на эту передаточную
функцию, чтобы получить амплитуду поступающей переходной помехи
в интересующих точках схемы [17].
Энергия переходных помех и перенапряжений определить не
просто. Фактическая энергия, поступающая из источника, не
рассеивается полностью на нагрузке.
Эта часть энергии зависит от соотношения нагрузки и полных
сопротивлений источников. Вообще нагрузка типа устройства
подавления перенапряжений является нелинейной и также имеет
временную или частотную зависимость.
В качестве приблизительной оценки энергии конкретной
стандартной переходной помехи может быть рассчитана фактическая
энергия, выдаваемая генератором на определенной резистивной
нагрузке. Для помех типа ЭСР и импульсов напряжения наносе-
кундной длительности принимается нагрузка для калибровки 2 Ом
и 50 Ом соответственно. Для микросекундных импульсных помех
296 Механизмы проникновения помех
Таблица 5.1 Среднее число возникновения переходных помех в сети питания
Класс объектов
Промышленность
Бизнес
Среднее число возникновения {число переходных помех/час)
17,5
2,8
Быт 0.6
Лаборатория 2,3
Переходные помехи большой энергии могут угрожать активны?
устройствам источника питания оборудования. Помехи с быстры!
фронтом нарастания наиболее опасны для функционирования схем
так как они уменьшаются в меньшей степени трактами паразитны
связей и они могут создавать большие напряжения на индуктш
ности заземления и цепей передачи сигналов. Исследования ZVE
показали, что скорость нарастания увеличивается приблизител!
но пропорционально квадратному корню пикового напряжени
и обычно составляет 3 В/нс для импульсов с амплитудой 200 В
10 В/нс для импульсов 2 кВ. Другие исследования поля показал1
что механические переключения создают многократные переходнь
помехи (пачки) со временами нарастания короче нескольких нанос
кунд и пиковые амплитуды в несколько сот вольт. Ослабление в сеа
электропитания (см. раздел 5.1.3) ограничивает импульсы с коротки
временем нарастания, вследствие чего они появляются локально.
Аналоговые схемы практически невосприимчивы к отдельны
коротким переходным помехам, в то время как цифровые схемы ле
ко сбиваются ими. Поэтому, в качестве общей рекомендации, микр-
процессорное оборудование следует испытывать на устойчивость
импульсным помехам с пиковой амплитудой по крайней мере до 2 к]
Пороги устойчивости ниже 1 кВ дадут неприемлемо частые сбои обор
дования почти во всех окружающих средах, в то время как для уровне
1 кВ—2 кВ будут иметь место случайные сбои. Для оборудования вые
кой надежности рекомендуется порог 4—6 кВ.
5.3.2.1 Тип связи
Переходные помехи в сети электропитания могут проявляться кг
напряжения дифференциального типа (симметрично между фазным
нейтральным проводниками) или синфазного типа (асимметрично ме>
ду фазным/нейтральным и заземляющим проводниками). Паразитго
связь между проводниками в сети электропитания имеет тенденци
смешивать эти два способа.
Импульсные помехи дифференциального типа обычно соо
ветствуют относительно медленным временам нарастания и вые
кой энергии, и требуют подавления для предотвращения выхо,
ЭМС для разработчиков продукции 297
из строя входной цепи, но не влияют на функционирование схем
существенно, если такое подавление выполнено. Переходные
помехи синфазного типа труднее подавить, потому что они
требуют подключения компонентов подавления между фазным и
заземляющим проводниками, или последовательно с земляющим
проводником, а также из-за того, что паразитные емкости по
отношению к земле тяжелее контролировать. Пути проникновения
таких помех весьма подобны тем, которые соответствуют
радиочастотными сигналам синфазного типа. К сожалению, они также
и более разрушительны по последствиям, потому что результатом
их действия являются переходные токи, протекающие в
заземляющих трассах.
5.3.2.2. Спектральная плотность и энергия помех
Переходные помехи в своей основе широкополосные, и их
частотное распределение описывается спектральной плотностью амплитуды:
т.е. зависимостью амплитуды в определенной полосе пропускания от
частоты, и выражается в вольтах на герц или вольт-секундах. Если
фактическая форма переходной помехи известна, то спектральная
плотность может быть получена путем преобразования Фурье формы
импульса. Конечно, в общем случае, формы реальных переходных помех
изменяются широко, однако рис. 5.21 показывает спектральные
плотности помех, которые были регламентированы в серии стандартов МЭК
61000-4 для испытаний на устойчивость. Если передаточная функция
паразитной связи в частотной области известна даже приблизительно,
то спектральная плотность может быть умножена на эту передаточную
функцию, чтобы получить амплитуду поступающей переходной помехи
в интересующих точках схемы [17].
Энергия переходных помех и перенапряжений определить не
просто. Фактическая энергия, поступающая из источника, не
рассеивается полностью на нагрузке.
Эта часть энергии зависит от соотношения нагрузки и полных
сопротивлений источников. Вообще нагрузка типа устройства
подавления перенапряжений является нелинейной и также имеет
временную или частотную зависимость.
В качестве приблизительной оценки энергии конкретной
стандартной переходной помехи может быть рассчитана фактическая
энергия, выдаваемая генератором на определенной резистивной
нагрузке. Для помех типа ЭСР и импульсов напряжения наносе-
кундной длительности принимается нагрузка для калибровки 2 Ом
и 50 Ом соответственно. Для микросекундных импульсных помех
298
Механизмы проникновения помех
гаки-1^/50 мк, n»(noei>e,!2 Он.
помет-1,2/50же,имряпи*,42ft*.
^олевательки помеха • 12 Он.
'«лебателмю помеха-30 Ом.
'лпебпеяьнм помеха - МО О».
* фокнь уменьшается в 4 раза
hj за снижения вдвое частоты
■члторения
Символы на графиках
показывают уровень
тестирования с 1 по 4, как
определяется а
соответствующих стандартах
05 1 2 * в » 10
Пиковое напряжение открытой цепи (измеряемое напряжение, ЭСР), к8
100
40
20
10 кГц 100
10 МГц
Рис. 5.2f Спектральная плотность амплитуды и содержание энергии
большой энергии и колебательных затухающих помех нагрузк
которая соответствует выходному сопротивлению, может выбират
ся, и напряжение или ток помехи выдается в это сопротивление
половиной амплитуды соответствующей режиму холостого хода д.
напряжения или короткого замыкания (для тока). Практическ
конечно, это не случается, так как нагрузка не согласована с выхе
ным полным сопротивлением.
В этих случаях энергия в джоулях (ватт секунды) представле
на рис. 5.21 и дается выражениями
ЭМС для разработчиков продукции
299
где V(t) и /(^-функции напряжения холостого хода и тока короткого
замыкания, соответственно.
Эти графики приведены только для сравнительных целей.
Реальная энергия, поступающая к конкретному оборудованию при
испытаниях, может быть рассчитана, если точно известны
сопротивления нагрузки и ее характеристики, а также фактическая форма
импульса на этой нагрузке.
5.3.2.3 Переходные процессы в сигнальных линиях
Быстрые переходные процессы в сигнальных кабелях могут
происходить в общем режиме, как правило, благодаря емкостной
связи, особенно если кабели проходят вблизи или рядом с
импульсным источником помех. Хотя такие переходные процессы обычно
ниже по амплитуде, чем переходные помехи, действующие в сети
электропитания, они происходят непосредственно в цепях портов
ввода/вывода, и поэтому токи будут протекать в цепях заземления,
даже если кабель должным образом экранирован и нагружен или
интерфейс должным образом отфильтрован.
80 В
Демпфированная нагрузка
Переключающаяся индуктивность
20 мкс 30 мкс
-0.2 В(
-14 В
-80 В
Спад поля генератора
Рис. 5.22 Переходные процессы в борт сети автотранспортных средств согласно
ИСО 7637-1
300 Механизмы проникновения помех
Другие источники кондуктивных переходных процессов —
телекоммуникационные линии и автомобильные источники питания 12 В.
В бортовой сети автотранспортных средств могут регулярно возникать
переходные процессы, которые во много раз превышают номинальный
диапазон напряжения питания. Наиболее серьезные автомобильные
переходные процессы (рис. 5.22) возникают при сбросе нагрузки, которая
происходит, когда нагрузка генератора внезапно отключается в течение
интенсивного заряда; при переключении индуктивных нагрузок, типа
двигателей и соленоидов, или спада поля генератора, который создает
отрицательный импульс напряжения, когда ключ зажигания
выключен. Стандарт ИСО 7637 определяет требования и методы испытаний нг
устойчивость к переходным процессам в автоэлектронике.
Исследования переходных помех общего вида в абонентских телефон
ных линиях [68] показали, что зависимость амплитуды от распределе
ния частоты возникновения помех также приблизительно определяется
обратным кубическим законом, как показано на рис. 5.20. Фактические
амплитуды были более низкими, чем те, что исследовались в сетях элек
троснабжения (пиковые амплитуды редко превышали уровень 300 В)
Типичные значения частоты затухания переходных помех и времен]
нарастания составляли 1 МГц и 10 — 20 не соответственно. Телефонньк
линии и линии передачи данных, которые входят в здание снаружи
являются наиболее вероятными объектами, на которых наблюдают^
перенапряжения при ударах молнии. Любые порты, которые связаны«
такими линиями, должны быть разработаны так, чтобы противостоят]
этим перенапряжениям.
5.3.3 Электростатический разряд
Когда два непроводящих материала приходят в соприкосновен»
друг с другом или с другими объектами, электроны от одного матери
ала перемещаются на другой. Результатом такого процесса являете!
накопление электростатического заряда на поверхности материала
Уровень заряда из-за перемещения материалов является функцией
различия материалов в трибоэлектрическом ряду (рис. 5.23, a). IIpi
этом положительные материалы уступают электроны с большей лег
костью, а отрицательные материалы, наоборот, поглощают их с бель
шей легкостью. Дополнительными факторами являются близость i
площадь контакта, а также степень различия материалов.
Напряжение, до которого предмет может быть заряжен, зависит о1
его емкости и подчиняется закону Q = C*U. Человеческое тело может за
ряжаться благодаря электростатической индукции до нескольких кЕ
Поскольку совершенный изолятор не допускает движение электронОЕ
ЭМС для разработчиков продукции
301
поверхностные заряды на изоляторе остаются в той зоне, в пределах
которой они были образованы. Но человеческое тело является
проводящим, и поэтому заряд, созданный электростатической индукцией,
распределяется по телу. Скорость, с которой заряд будет стекать с тела
во внешнюю среду и таким образом нейтрализоваться, зависит от
поверхностного сопротивления тела и сопротивления внешней среды.
Это, в свою очередь, является функцией относительной влажности:
чем больше влажность воздуха, тем более низкое поверхностное
сопротивление изолятора и, следовательно, более быстрое стекание зарядов.
Практически, поскольку при перемещении постоянно генерируются
заряды, существует баланс между генерацией и нейтрализацией зарядов,
результатом которого является некоторый типовой уровень
напряжения, который может присутствовать в конкретной окружающей среде
(рис. 5.23,Ь).
Воздух
Кожа человека
Стекло
Волосы человека
Шерсть
Мех
Бумага
Хлопок
Древесина
Твердый каучук
Ацетатный шелк
Полиэстер
Полиуретан
Поливинилхлорид
PTFE
8се более и более
положительный
- Нейтральный ■
10
Все более и более отрицательный о
Синтетика
Антипатический материал
is ibo
Относительная влажность, %
а) трибоэлектрический ряд
b) ожидаемое напряжение заряда (МЭК 801-2)
панель связи
неп осредственныи
разряд
-
Пути переходного тока
с) эквивалентная цепь и форма разряда
Рис. 5.23 Электростатический разряд:
Когда рука (в худшем случае, держа металлический предмет,
например ключ) приближается к проводящему объекту, заряд
перемещается к нему, что, как правило, вызывает возникновение искры в
302 Механизмы проникновения помех
том случае, если градиент потенциала в уменьшающемся промежутке
воздуха достаточно высок, чтобы вызвать пробой. Энергия,
передаваемая при перемещении заряда, с одной стороны, может быть достаточно
низкой, чтобы заметно воздействовать на объект, а с другой стороны,
достаточной, чтобы вызвать существенные изменения. При этом
необязательно, чтобы объект, на который происходит разряд, был заземлен.
Перемещение заряда может происходить между любыми двумя
объектами, имеющими емкостную связь, пока существует разность
статических потенциалов между ними, что определит протекание импульса
разрядного тока.
5.3.3.1 Форма импульса ЭСР
Когда электростатически заряженный предмет подносится
близко к заземленному объекту, результирующий ток разряда содержит
очень быстрый (доли наносекунды) импульс, на фоне сравнительнс
медленной основной части — кривой разряда. Характеристики
формы тока для электростатического разряда рука/металл являются
функцией скорости приближения, напряжения, геометрии электро
да и относительной влажности. Эквивалентная схема для такой ситу
ации показана на рис. 5.23,с. Емкость CD (типичное значение 150 п4
для человеческого тела) заряжена через высокое сопротивление дс
электростатического напряжения V Фактическое значение V будеа
изменяться, так как пути накопления и утечки заряда изменяются
в соответствии с условиями окружающей среды и перемещениям»
предметов. Когда разряд начался, емкость Св свободного
пространства, которая имеется непосредственно в точке разряда, производи!
начальный импульс тока, величина которого ограничивается толькс
паразитным полным сопротивлением локальной области, в то время
как основной ток разряда ограничивается общей индуктивностью
тела и сопротивлением ZD.
Основные эффекты от воздействия ЭСР, приводящие к сбоям
оборудования, вызываются скоростью di/dt импульса тока разряда
и его косвенными эффектами. Скорость изменения электрического
поля dE/dt при изменении локального статического напряжения
заряда может также воздействовать через емкость в схемах с высоким
полным сопротивлением и при некоторых обстоятельствах высокое
статическое электрическое поле непосредственно, до того как
приходит разряд, может быть причиной нежелательных эффектов.
ЭМС для разработчиков продукции
303
5.3.3.2 Пути паразитной связи
Уравнительный результирующий ток переходного процесса
длительностью доли наносекунды и амплитудой нескольких десятков ампер
проходит сложным путем на землю через оборудование, и очень вероятно его
влияние на функционирование цифровой схемы, если этот путь проходит
через элементы схемы. Паразитный путь определяется в большей степени
паразитной емкостью, соединениями в корпусе и индуктивностью
соединительных трактов или монтажных проводов, чем схемой предусмотренной
проектировщиком. Сильное магнитное поле, связанное с током, может
вызвать переходные напряжения в близлежащих проводниках, которые
не являются фактически путем для тока. Даже если разряд не
осуществляется непосредственно на оборудование, близлежащий разряд, например, на
металлический стол или стул будет создавать интенсивное поле излучения,
которое будет действовать на незащищенное оборудование.
Критическими областями, которые могут действовать как точки
инициализации для электростатического разряда, являются
выступающие элементы металлоконструкции, отверстия, компоненты
лицевой панели и разъемы. Компоненты и отверстия могут
способствовать разряду через поверхностные пути утечки к схемам внутри
корпуса, даже если сам корпус является непроводящим. Градиент
напряжения пробоя в сухом воздухе — приблизительно 30 кВ/см, но он
значительно уменьшается по поверхности, особенно если поверхность
покрыта грязью или другими веществами.
5.3.3.3 Вторичный разряд
Общая проблема возникает, когда корпус изделия соединяется
внешне с землей в иной точке и через различные пути, отличные
от заземления внутренней схемы. Из-за индуктивности различных
связей, переходное напряжение будет появляться внутри корпуса,
между корпусом и схемой (рис. 5.24). В этом случае данное напря-
Первичный разряд
Ток вторичного разряда
через печатную плату
ток первичного
разряда через корпус
Рис. 5.24 Вторичный разряд
Вторичный разряд
корпуса на плату
304 Механизмы проникновения помех
жение может быть причиной вторичного разряда, который будет
происходить в непредсказуемых точках внутри корпуса. Он может
быть гораздо более разрушительным и опасным, чем исходны!
разряд, так как имеется более низкое полное сопротивление дл$
ограничения тока, а также потому, что более высокое наведенное
напряжение возникает на проводниках печатной платы, когд.
электростатический разряд происходит в пределах резонансно]
структуры. Чтобы предотвратить это, достаточно корпус и схемную
плату связать вместе в подходящей точке, обычно на интерфейсно
земле (см. раздел 6.2.3).
5.3.4 Низкочастотные магнитные поля
Магнитные поля на низких частотах могут создавать в замкщ
тых проводных контурах напряжения помех, амплитуда которы
зависит от площади, которую пронизывает магнитное поле. Не торс
идальные силовые трансформаторы и трансформаторы импульсны
источников питания — основные источники таких полей. Они буду
постоянно оказывать мешающее действие на чувствительные схем
или компоненты внутри самого оборудования. Любое другое об<
рудование должно быть устойчивым к близости таких источнико1
Особые внешние условия могут способствовать появлению высоки
напряженностей постоянного или низкочастотного магнитног
поля, например, на электролизных заводах, где применяются очен
высокие токи, или в некоторых медицинских аппаратах.
Токи частоты 50 Гц в проводниках электропитания — типичны
источники магнитных полей. Если токи в кабеле сбалансированы, т.<
кабель содержит фазный и нейтральный проводники вместе или вс
три проводника трехфазной сети, то на расстоянии магнитные пол
от каждого проводника компенсируются и суммарное поле практичс
ски равно нулю. В то же время вблизи кабеля поля не могут компенсг
роваться полностью, поскольку исходные проводники расположен!
в несколько различных позициях. Поля также не будут компенсирс
ваться, если токи не сбалансированы, т.е. если для возвратных токо
есть другие пути помимо кабеля. Эта ситуация обсуждается в раздел
5.1.5.2 при рассмотрении протекания тока общего вида.
Плотность потока на расстоянии г метров от отдельного длинног
проводника, в котором протекает ток / А, дается выражением
В = (0,2 IJ/r, мкТл. (6.1*
Чтобы найти поле на расстоянии от группы проводников, как эт
имеет место в кабеле, по каждому из которых течет ток определенно)
фазы и амплитуды, необходимо рассмотреть соответствующую геоме
ЭМС для разработчиков продукции 305
трию и получить векторную сумму вкладов от каждого проводника в
результирующее поле. Пороговая величина в 1 мкТл часто
рекомендуется как уровень, ниже которого поле от установки является
приемлемым [85].
Напряжение, наводимое внешним магнитным полем в одновит-
ковом контуре, определяется выражением:
V = AdB/dt, (5.14)
где А — площадь контура в м2, а В — плотность потока, нормального
к плоскости контура в Теслах.
Такие поля редко влияют на цифровые схемы или схемы с
большим аналоговым сигналом, но они могут вызывать сбои схем с
низкими уровнями сигналов, когда помехи имеют место в пределах
рабочей полосы пропускания устройства, как, например, аудиоу-
стройства или точная аппаратура. Специализированные устройства,
на которые воздействуют магнитные поля, типа фотоумножителя
или электронно-лучевых трубок, могут также быть восприимчивы.
5.3.4.1 Экранирование магнитных полей
Обычное экранирование от низкочастотных магнитных полей
неэффективно, потому что оно основано на отражении, а не на
поглощении поля. Из-за низкого полного сопротивления источника
магнитного поля потери при отражении малы. Поэтому только изменение
относительной ориентации источника и контура может эффективно
влиять на величину компонента потока, нормального к плоскости
контура и который индуцирует напряжение. Низкочастотное магнитное
экранирование возможно только с материалами, которые обладают
значительным поглощением, например, сталь, мю-металл или
пермаллой. С повышением частоты эти материалы теряют свою магнитную
проницаемость и, следовательно, эффективность экранирования, в то
время как немагнитные материалы типа меди или алюминия
становятся более эффективными. На частоте около 100 кГц эффективности
экранирования становятся равными. Магнитные металлы также
насыщаются при больших напряженностях поля и склонны терять
свою проницаемость при обработке. Обсуждение этого явления см. в
разделе 8.3.2.
5.3.5 Помехи в сети электропитания
Низкочастотные помехи в сети электропитания рассмотрены в
определенной степени в стандартах МЭК 61000, часть 2, разделы 1 и 2.
Раздел 1 [147] описывает окружающую среду, т.е. природу помех,
которые могут ожидаться в сетях общего назначения, в то время как
306 Механизмы проникновения помех
раздел 2 [148] устанавливает уровни электромагнитной
совместимости, т.е. уровни помех, которые можно ожидать в них.
Рассматриваются следующие явления:
• Гармоники и интергармоники напряжения
• Колебания напряжения, провалы и кратковременные
прерывания электропитания
• Несимметрия напряжений в трехфазных сетях
• Передача сигналов по сетям электропитания
• Изменения частоты электропитания.
Гармоники рассматриваются далее в разделе 5.4.
Отключения (провалы напряжения) и прерывания имеют место в<
всех распределительных сетях электроснабжения и обычно возникаю
из-за устранения аварий или переключения нагрузки в каком-либо ме
сте системы (рис. 5.25). Такие события не будут восприняты обычны!
электронным оборудованием, если время поддержания напряжения не
копителем достаточно, но если дело обстоит не так, то могут возникат
Нелинейное искажение Колебание уровня
Провал Прерывание
Рис. 5.25 Колебания электроснабжения
повторные запуски и выходные переходные помехи. Тиристорные ш
верторы могут вызывать отказы, а синхронные устройства могут терят
синхронизм. Как правило, прерывания (в противоположность прекрг
щениям подачи электроэнергии) могут длиться от 10 до 500 мс.
В большинстве развитых промышленных стран нагрузка в система
энергоснабжения регулируется таким образом, что колебания напряже
ния электропитания поддерживаются между +10% и -15% номинал!
ного напряжения. Как результат введения стандарта HD472/BS769
[161], в странах ЕС принимают напряжение 230 В +/-10% в точке щйюс
единения потребителя. Между 1995 г. и 1 января 2003 г. страны с пред
варительно объявленным номинальным напряжением электропитани
240 В будут иметь диапазон колебаний 230 В +10% — 6%, а те, что ране
имели номинальное напряжение 220 В, будут иметь диапазон 230 В +6°/
-10%. Медленные изменения в напряжении электропитания в предела
этих уровней происходят в течение суток, поскольку нагрузка в систем
ЭМС для разработчиков продукции 307
электроснабжения изменяется. Объявленное напряжение не включает
падения напряжения в пределах помещения клиента, и поэтому следует
проектировать стабилизированные источники питания, чтобы
удовлетворить предел по крайней мере -15%.
Провалы, превышающие 10% номинального напряжения,
происходят до 4 раз в месяц для городских потребителей и более часто
в сельских районах, где напряжение поставляется через воздушные
линии [75], [148]. Обратите внимание, что намного большие колебания
напряжения (и частоты) и более частые прерывания обычны в тех
странах, которые не имеют хорошо развитой сети электроснабжения. Они
также обычны для электроснабжения от маломощных генераторов.
Нагрузки, типичные для тяжелой промышленности, типа
прокатных станов и сварочных механизмов, больших двигателей и дуговых
печей, могут быть причиной кратковременных или случайных
флуктуаций и затрагивать многих потребителей, получающих электропитание
из одного и того же источника. Главный результат этих помех — фликер
ламповых источников света, которые могут вызывать физиологический
дискомфорт. Электронные схемы источника питания могут обычно
разрабатываться так, чтобы игнорировать эти помехи, хотя другие схемы,
которые используют сигнал с частотой 50 Гц (например, для отсчета
времени или фазы), должны иметь рабочую ширину полосы, строго
ограниченную 50 Гц полосовым фильтром с тем, чтобы гарантировать
устойчивость при небольших изменениях амплитуды.
5.4 Гармоники в сети электропитания
Одно явление, которое относится к ЭМС, рассматривается в
рамках Директивы ЭМС и обычно классифицируется как «эмиссия» —
гармонический состав тока, потребляемого из электрической сети.
Это невольно запутывает вопрос, так как оборудование фактически
ничего не имитирует: оно просто потребляет из сети энергию на
гармониках, так же как и на основной частоте.
5.4.1 Проблема поставщика энергии
Проблема гармоник напряжения в сети электропитания
является проблемой номер один для энергоснабжающих организаций,
которые обязаны обеспечивать высококачественную поставку
электрической энергии. Если совокупная токовая нагрузка в
определенной точке распределительной сети электропитания имеет высокое
содержание гармоник, то отличное от нуля полное сопротивление
источника в точке распределения будет причиной искажения формы
волны напряжения в данной точке, и возможно, из-за резонансов сети
308 Механизмы проникновения помех
электропитания, в других отдаленных точках. Это в свою очередь
может создавать проблемы для других пользователей, а гармонические
токи сами по себе могут также создать проблемы для поставщика
(например, вызывать перегрев трансформаторов и компенсирующих
компонентов). Поставщик, конечно, имеет выбор — завышать
требования к элементам распределительной системы или установить
специальные меры защиты, но это дорого, и поэтому поставщик имеет
основание, чтобы доказывать, что потребители должны нести часть
затрат по устранению тех загрязнений, которые они создают.
За последние несколько десятилетий загрязнение гармониками увели
чилось, и это произошло преимущественно из-за нагрузок малой мощно
сти, устанавливаемых в больших количествах. Среди них бытовые теле
визоры и офисное оборудование информационных технологий являютс;
причиной возникновения этой проблемы примерно 80% случаев. Други*
типы нагрузок, характеризующихся значительными гармоническим!
потребляемыми токами, либо еще не так широко распространены, чтобь
создавать серьезные проблемы, либо вопрос решается индивидуально i
точке установки, как, например, в случае промышленного предприятия
Энергосиабжающие организации тем не менее настойчиво стремятся рас
простраяить нормы эмиссии гармонических составляющих потребляемо
го тока на все классы электронных изделий.
МЭК 61000-2-2 устанавливает уровень совместимости в терминах сум
марного значения коэффициента нелинейных искажений, равным 8%.
5.4.2 Нелинейные нагрузки
Простая резистивная нагрузка, подключенная к сети электропи
тания, потребляет ток только на основной частоте (50 Гц в Европе)
Большинство электронных схем вовсе не являются резистивным]
нагрузками. Универсальный конденсаторный выпрямитель по вхо
ду потребляет большой ток при максимуме кривой напряжения i
нулевой ток в другие моменты времени; известные устройства фазо
вого управления с применением двустороннего тиристорного пере
ключателя для регулирования мощности (освещение, двигатели, на
греватели и т.д.) начинают потреблять ток только при определеннол
фазовом угле каждую половину периода. Соответствующие формь
тока могут быть представлены как ряды Фурье, и гармонически»
амплитуды ряда являются объектом регулирования.
Стандарт, который устанавливает требования к гармоника»
тока, потребляемого из сети электропитания, — это МЭК 61000-3-2
изданный в 1995 г. Его требования детально рассмотрены в раздел*
3.2, где можно видеть, что применяются или фиксированные нормь
ЭМС для разрабогчиков продукции
309
содержания гармоник до частоты 2 кГц (40-я гармоника), или
переменные нормы в зависимости от мощности, потребляемой
оборудованием; выбор норм зависит от класса изделия.
Нормы являются эффективным дополнительным проектным
ограничением, на характеристики входных компонентов, в
наибольшей степени, на входное последовательное полное сопротивление
(которое обычно не рассматривается вообще как важный элемент
при проектировании). Рис. 5.26,а, который является
Фурье-анализом текущей формы волны, рассчитанной во временной области,
показывает содержание гармоник входного тока для схемы
выпрямителя с довольно большим последовательным сопротивлением перед
емкостным накопителем. Это значение последовательного
сопротивления обычно не применяется, за исключением неэффективных
трансформаторных источников питания. Уровень пятой гармоники
в точности соответствует требованиям к оборудованию класса D.
Ц
Вяодиа* мощности (средиеивадолтическое эда>(екие) ОД e*SW
Выходная метцндаь («редкие значение) 7в. в?и
кпд ее at
Выходное напряжение (среднее значение) аад. 4SV
Пульсации выходютэ нвпряженкя 9. 9<w
Число «ериояо» в
(а)
Прочесе
IWWIM»;
вбапи
Входная мощность (средавк*ви«МДИч«д<ое значение] 19? 3SW
втходиая мощность (средн« зючени*) 39 ,е№
КПД Вв.8*
Выходкой напряжен»» (средм* значение) Э.*4 .в*¥
Пучвсачни выходного мапрчжекия 12 ft?V
(Ь)
Рис. 5.26 Гармоники тока на входе сети электропитания для схемы выпрямителя с
емкостным накопителем
5.4.2.1 Влияние последовательного сопротивления
Рис. 5.26,Ь иллюстрирует различие в спектре гармоник входного тока
в результате десятикратного уменьшения входного сопротивления. Это
значение входного сопротивления является типичным для импульсных
310 Механизмы проникновения помех
бестрансформаторных источников питания, и многие
высокоэффективные источники питания могут обладать более низкими значениями Rs.
Пиковый ток на входе увеличился заметно, в то время как его рабочий
цикл сжался, ведя к существенно более высокому фактору гребня
(отношение пикового значения тока к среднеквадратичному значению) и,
таким образом, к более высоким уровням гармоник.
Увеличение последовательного входного сопротивления для того,
чтобы удовлетворить требованиям к уровням гармоник, является затратным
с точки зрения потерь энергии, кроме случаев очень низкого
потребления. Практически преднамеренное рассеивание от 10 до 20% входной
мощности быстро становится неэффективным при уровнях мощности
50 — 100 Вт. Фактически требования МЭК 61000-3-2 не применяются к
оборудованию, имеющему активную входную мощность ниже 75 Вт.
Действительно, включение последовательного входного дросселя, который
должен работать до частоты 150 Гц при полном входном токе, увеличивает
массу и размер изделия; применение электронного управления
коэффициентом мощности (УКМ), которое преобразует форму тока в близкую в
синусоидальной, затратно с позиции стоимости и сложности.
5.4.2.2 Управление коэффициентом мощности
Устройство УКМ — по существу, переключаемый конвертор нг
выходе источника питания и поэтому наиболее вероятный источник
дополнительных помех в радиочастотном диапазоне, вызванных
переключениями в те моменты времени, когда он уменьшает входные
гармоники тока. Возможно объединение УКМ с другими узлами бес
трансформаторных импульсных источников питания, поэтому, есл*
предполагается использовать бестрансформаторные импульсные
источники питания (БИИП), то так или иначе необходимо
рассчитывать на дополнительные затраты. Это также хорошо согласуется
с другими современными требованиями к конструкции, такими,
например, как необходимость обеспечить «универсального» (90—260 В]
диапазон входного напряжения. Такие источники питания могуч
всегда выбираться из имеющихся на рынке, а при собственном
создании УКМ-БИИП могут потребоваться значительные дополнительные
усилия при проектировании и исследованиях. Наличие
специализированных микросхем делает задачу более легкой.
На рис. 5.27 представлена основа действия схемы управления
коэффициентом мощности. Вместо схемы входного выпрямителя и
накопителя энергии выпрямительный вход питает непосредственно схем>
импульсного повышающего преобразователя, с рабочим диапазонов
входного напряжения от почти ноля до пикового значения напряжение
ЭМС для разработчиков продукции
311
питания. Импульсная ширина коммутатора регулируется так, чтобы
обеспечить средний ток на входе, который приближается к требуемой
синусоидальной форме. Эффективное искажение очень низко, и поэтому
содержание гармоник также является низким.
5.4.2.3 Управление фазой
Схемы регулирования мощности, которые изменяют точку
переключения в соответствии с фазой формы напряжения электропитания, — дру-
хонкртор добавочного напряжения
сиь
эжюропивш!
радио
частом*
фильтр
Рисунок 5.27 Блок-схема импульсного УКМ
гой главный источник нелинейных искажений входного тока. Устройства
управления освещением — характерный пример. На рис. 5.28 показано
содержание гармоник такой формы волны при переключении в точке
90° (пик цикла, соответствующий половине мощности). Максимальное
содержание гармоник соответствует этой точке, уменьшаясь, когда фаза
изменяется в любую сторону от 90°. Световой регулятор без фильтра на
входе или УКМ при токах больших, чем 5 А, становится вне закона, так
как нормы установлены в абсолютных величинах.
Рис. 5.28 Гармоники тока на входе сети электропитания для 500 Вт-ной схемы
регулировки фазы в половине мощности
Глава 6
Компоновка и заземление
Проектирование для обеспечения ЭМС начинается с
формулирования принципов управления потоком электромагнитных помех в
аппаратуру или из нее, предполагая, что помехи будут генерироваться
любым изделием, включающим активные электронные
компоненты. Чтобы улучшить электромагнитную совместимость изделия,
необходимо установить барьеры и обеспечить такие пути тока, чтобы
входящие электромагнитные помехи были отклонены или
поглощены перед тем, как они покинут электронную схему. Хорошей
аналогией является представление электрической цепи в виде города, где
меры по контролю ЭМС представляются в виде обходных или
кольцевых дорог. Электромагнитные помехи (трафик) следует направить
скорее вокруг города, чем через него; сбоев в работе городских служб
так значительно меньше.
В любом случае вы можете проектировать меры управления,
которые можно применить на трех уровнях: первичном, вторичном и
третичном, как показано на рис. 6.1.
первичная - кольцевая дорога,
обеспечивающая трафик
внутри города
вторичная - управления
трафиков, поддерживающим
трафик за счет обходной
дороги
третичная - трафик обходной
дороги, удаленной от цента города
третичная-экранирование
Рис. 6.1 Меры управления ЭМС
ЭМС для разработчиков продукции 313
Управление на первичном уровне предполагает такие меры
проектирования, как развязку, использование симметричных схем,
ограничение полосы частот и быстродействия, а также специальную
компоновку плат и заземление. Для некоторых неответственных
цепей, особенно для тех, которые не имеют соединительных
кабелей, будет достаточно обычных мер проектирования. На вторичном
уровне всегда следует принимать во внимание интерфейсные связи
между внутренними цепями и внешними кабелями. Это,
несомненно, главный маршрут для распространения электромагнитных
возмущений в обоих направлениях и для некоторых изделий (особенно
при стабильном процессе проектирования) весь процесс управления
может быть сведен к применению фильтров на интерфейсных
входах. Выбор и установка соединителей — важная часть этого
примера.
Полное экранирование (третичный уровень) является дорогим
выбором, и это решение принимается, когда все другие меры
исчерпаны. Но так как заранее трудно или невозможно прогнозировать
эффективность первичных мер, следует учитывать вынужденную
возможность применения экрана. Это означает приспосабливание
механической конструкции так, чтобы использовался
металлический корпус или корпус с нанесенным металлическим покрытием.
В последнем случае следует гарантировать, чтобы отверстия и
соединения в корпусе соответствовали требованиям для соединений на
радиочастотах, соединения заземления расположены в
соответствующем месте, и конструкция корпуса позволяла бы легко наносить
проводящее покрытие.
В главе 7 рассматривается проектирование схем, а в главе 8
содержатся классические аспекты ЭМС: фильтрация, экранирование
и заземление. Настоящая глава охватывает компоновку и
заземление.
6.1 Компоновка и заземление оборудования
Наиболее рентабельный подход состоит в том, чтобы рассмотреть
компоновку и заземление на начальной стадии. Ни одной единицы
стоимости не добавляется при проектировании системы
заземления. До 90% от постпроектных проблем ЭМС вызваны плохо
разработанной компоновкой или заземлением. Хорошо разработанная
компоновка и система заземления может улучшить как
помехоустойчивость, так и защиту от помехопомехоэмиссии, в то время как
в неудачной конструкции кабелепровод может способствовать излу-
314
Компоновка и заземление
чению или проникновению помех извне. Важнейшими принципами
являются:
• разбиение системы для возможности управлять токами
электромагнитных помех;
• рассмотрение заземления как пути протекания тока помех
внутри аппаратуры и токов проводимости вне ее;
• рассмотрение заземления как средства предотвращения токов
помех от активных сигнальных цепей; это означает, что
требуется тщательное определение местоположения точек
заземления и минимизации как собственного полного сопротивления
заземления, так и его полного передаточного сопротивления к
схеме;
• проектирование проводящих частей механической структуры
с учетом того, что они неизбежно несут токи помех, которые
желательно удалять от схемы.
6.1.1 Разбиение системы
На первом шаге проектирования необходимо разбить систему на
отдельные части. При неудачном разбиении или при его отсутствии
система (рис. 6.2) может иметь подсистемы, сгруппированные в
отдельные области на платах или в корпусах, но интерфейс между
неконтролируемые токи
общего вида
Рис. 6.2 Устройство, спроектированое бессистемно
ними не будет точно определен и внешние порты будут
рассредоточены по периферии групп. Это создает трудности при управлении
токами общего режима, которые будут существовать в различных
ЭМС для разработчиков продукции
315
интерфейсах. Рассредоточение портов означает, что расстояние
между портами на противоположных сторонах системы велико, что
приводит к напряжениям, возникающим на индуктивности шины
заземления, как результат входных помех, а также сильной связи
через кабели как источников внутренней помехопомехоэмиссии.
Обычно единственный способ управлять помехоэмиссией и
помехоустойчивостью такой системы — размещение общего экрана
вокруг нее и установка фильтров на каждый интерфейс. Во многих
случаях будет трудно или невозможно поддерживать целостность
экрана для обеспечения его надлежащих свойств — необходимы
отверстия и точки доступа, что снижает эффективность
экранирования.
6.1.1.1 Разделенная система
Разбиение делит систему с позиции ЭМС на критические и
некритические секции. Критические секции — секции, которые содержат
источники излучений, такие как микропроцессоры или видеоцепи,
или секции, которые особенно чувствительны к внешним помехам:
микропроцессорные цепи и низкоуровневые аналоговые цепи. Для
некритических секций уровень сигналов, полоса пропускания и
функции цепи такие, что они не восприимчивы к внешним
возмущениям и не способны к их порождению: несинхронизированная
логика, линейные источники питания, каскады усилителей
мощности — типичные примеры. На рис. 6.3 показан этот метод
разбиения.
фильтры интерфейса
. общий кожух
критические
цепи
(цифровые или 1
восприимчивые'
аналоговые)
некритический
источник питания
некритические цепи
экранированный субблок
Рис. 6.3 Разбиение системы
316 Компоновка и заземление
Управление критическими секциями
Критические секции могут быть заключены в экранирующий
кожух, и все входящие и исходящие соединения тщательно
проектируются. Этот корпус может заключать все изделие или часть его в
зависимости от характера цепи: основная цель проекта заключается
в минимизации числа управляемых интерфейсов и обеспечение их
физического расположения близко друг к другу. Каждый
интерфейс, который требует фильтрации или экранированного кабеля,
увеличивает стоимость изделия. Системы без электрических
портов — такие как карманный калькулятор или инфракрасный
выносной контроллер — представляют идеальный случай с позиции
ЭМС.
Отметим, что действие экрана проявляется в двух аспектах: как
барьер на пути излучаемых электромагнитных возмущений и как
опорная точка для возвратного тока в системе заземления. Во
многих случаях, особенно когда в печатных платах используются слои
заземления, можно обойтись без экранирующего кожуха.
6.1.2 Заземление
Как только система должным образом разделена, необходимо
гарантировать надежное заземление. Перед тем, как продолжить
обсуждение, следует обратить внимание на некоторые неточности
терминологии. В обычном электротехническом приложении термин
«заземление» (grounding) для американской литературы
соответствует термину «earthing» для английской литературы» что
соответствует защитному заземлению. Поскольку настоящий перевод
делается с английской книги, то в первоисточнике для определения
заземления как функции ЭМС использованы термины «ground» и
«grounding», в то время как термины «earth» и «earthing» относятся
к защитному заземлению.
Основная цель заземления состоит в том, чтобы создать опорную
точку для внешних подключений к системе. Классически
заземление определяется следующим образом: «эквипотенциальная точка
или плоскость, которая служит как опорная точка для цепи или
системы». К сожалению, это определение становится бессмысленным в
присутствии токов, протекающих в системе заземления. Даже когда
сигнальные токи незначительны, токи в системе заземления,
индуцированные внешними электрическими и магнитными полями,
будут смещать потенциал земли. Хорошая система заземления будет
минимизировать эту разность потенциалов по сравнению с рабочим
уровнем, но яе может полностью устранить ее. Было предложено [5],
ЭМС для разработчиков продукции 317
что термин «заземление» в традиционном использовании должен
быть пересмотрен в пользу «опорной точки», что это более точно
отражает суть.
Альтернативное определение для заземления: «путь с низким
полным сопротивлением, по которому ток возвращается к его
источнику» [98]. Это подчеркивает факт протекания тока и потребность
малого полного сопротивления, что особенно важно при высоких
частотах. Токи заземления всегда циркулируют в части петли.
Задача состоит в проектировании петли таким образом, чтобы
индуцированное напряжение оставалось достаточно низким в критических
местах. Этого можно достичь проектированием системы заземления
столь компактной и локальной, насколько это возможно.
Наиболее важной функцией системы заземления по обеспечению
ЭМС является минимизация напряжений помех в критических
точках по сравнению с полезным сигналом. Для выполнения этого
условия необходимо обеспечить путь с малым полным передаточным
сопротивлением, расположенный в критической области. Концепция
передаточного сопротивления представлена в п. 6.1.2.2.
6.1.2.1 Ток через полное сопротивление заземления
При проектировании конфигурации системы заземления
необходимо знать действительный путь возвратного тока. Пример с
усилителем, представленный на рис. 6.4, иллюстрирует это
положение. Выходной ток высокого уровня Д1 возвращается к источнику
питания чрез нагрузку; если возврат происходит через путь Z1-Z2-Z3
(рис. 6.4,а), тогда нежелательная компонента напряжения
развивается на Z2, которое подключено последовательно с Vs, и в
зависимости от амплитуды и фазы цепь может генерировать. Это пример
связи через общее сопротивление, рассмотренной в п. 5.1.1.
В проблеме ЭМС нестабильность не является главной задачей;
более существенно влияние помехового напряжения V^,, которое
развивается на полных сопротивлениях, создающего проблемы по-
мехоэмиссии и помехоустойчивости. На высоких частотах (выше
нескольких кГц) или при высоких скоростях изменения тока полное
сопротивление любого линейного подключения является
преимущественно индуктивным и увеличивается с частотой (V = — L di/dt).
Следовательно, шум по цепям заземления увеличивается при
увеличении частоты. Эффект добавления внешних соединений
иллюстрируется на рис. 6.4,Ь. Ток помехи 1^ индуцированный, скажем, на
выходных клеммах, протекает через систему заземления, проходя
снова через Z2, и поэтому вызывает напряжение последовательное
318
Компоновка и заземление
опорная точка
заземления
а) исходная схема
Ь) внешние индуцированные
токи помех
с) пересмотренное решение
для предупреждения помех
по земле
Рис. 6.4 Пути токов заземления в примере
с входом перед тем, как перейти через паразитную емкость на вы
воды источника питания. Этот же путь должен рассматриваться i
обратной последовательности для помех, порожденных источников»
питания.
Для решения проблемы необходимо гарантировать, что поме
ховым токам запрещено протекать через чувствительные част*
системы заземления, как показано на преобразованной схеме (рис
6.4,с). На принципиальной электрической схеме эти цепи были бь
идентичны; в практической реализации, когда элементы устанав
ливаются на печатной плате, они различны.
6.1.2.2 Полное передаточное сопротивление
С позиций ЭМС заземление обеспечивает совокупность взаимо
увязанных путей, спроектированных таким образом, чтобы имет]
ЭМС для разработчиков продукции
319
низкое полное передаточное сопротивление ZT для минимизации
помеховых напряжений на восприимчивых интерфейсах, которые
могут или не могут быть заземлены. Параметр ZT определяет
интенсивность нежелательного источника в сигнальной цепи, вызванного
током помех, протекающего в цепи в общем режиме. В зависимости
от рассматриваемого интерфейса интерес представляет
передаточное сопротивление соответствующей части связанных путей
заземления. Результатом является некоторая структура заземления, чья
трехмерная форма проектируется для обеспечения низкого
значения ZT. Структура может быть реализована в виде экранирующего
корпуса, шасси, слоя печатной платы или кабелепровода, в
зависимости от конкретного приложения (рис. 6.5).
трубопровод ^ кабелепровод пластина провод
увеличение Z;
ZT = RG + ju><LQ-M)
есть функция цепи и геометрии заземления
VINT*<CM ZT
сигнальная цепь
взаимная индуктивность М
- /WV\ /
t VL =
если
Vlwr)
ZL»ZT
ал
RQ '■в структура заземления
Рис. 6.5 Полное переходное сопротивление структуры заземления
Важным качеством такой структуры является то, что
протекающие в ней токи возмущений, вызывают малые дифференциальные
напряжения помех V^NT. Доминирующий вклад в ZT для внешних
токов помех, протекающих в заземлении, создает взаимная
индуктивность между цепями с общим и дифференциальным режимом
работы. Значение £т уменьшается пропорционально взаимной
индуктивности, связывающей структуру и цепь. Структура
заземления должна иметь минимальное сопротивление RG и самоиндукцию
LG. Сопротивление ZT минимизируется путем применения
сплошного трубопровода — это можно определить как коаксиальный
экранированный кабель — ив худшем случае при отсутствии подобной
структуры все токи помех текут в схему. Бессистемная структура
заземления с существенным последовательным полным сопротив-
320 Компоновка и заземление
лением, вызванным отверстиями и неоднородностями, см. п. 8.3.3,
чуть лучше, и первым шагом к улучшению ситуации является
применение параллельных проводов. На практике компромиссной
структурой является кабелепровод или плоскость. Расположение
физически близко цепей, обеспечивающих дифференциальный ре
жим работы, является первым приближением к подобной структуре
заземления с малым ZT, при условии, что в структуре нет разрыво!
на путях протекания токов.
Это обсуждение сконцентрировано на токах заземления, посколь
ку низкое полное сопротивление структуры заземления позволяв'
протекать относительно высоким токам помех; при решении зада1
ЭМС необходимо признать это положение и принимать соответству
ющие меры. Важно тем не менее, что напряжение помех не должн-
расти на заземленной структуре относительно схемы, поскольку ре
комендуемое выше низкое полное сопротивление Zr подразумевав
высокую емкость, которая в свою очередь позволила бы таким нв
пряжениям попадать в схему. Это предполагает, что цепь опорног
напряжения 0 В должна быть соединена со структурой заземлени
по крайней мере в одной точке, которая обычно расположена ближ
к наиболее чувствительным частям схемы; но это поощрит распр<
деление тока между структурой заземления и цепью! Этот парадок
может быть разрешен при конструировании аппаратуры путем е
проектирования с минимально возможным ZT.
6.1.3 Системы заземления
Опуская пока требования к защитному заземлению, рабоча
система заземления предназначена для создания опорного уровня
может быть конфигурирована в виде одноточечной системы, многс
точечной или гибридной системы.
6.1.3.1 Одноточечная система
Одноточечная система заземления (рис. 6.6,а) концептуально се
мая простая, и в ней устраняется связь через общее сопротивлени
заземления и петли заземления на низких частотах. Каждый модул
схемы имеет собственное подключение к единственной точке завек
ления, и каждая стойка или субблок имеет единственную связь
шасси. Любые токи, протекающие в системе заземления, не в ли*
ют на схему. Эта система хорошо работает до частот мегагерцовог
диапазона, но протяженность каждого заземляющего соединени
приводит к тому, что между цепями с возрастанием частоты разв*
вается потенциал общего режима. При длинах соединения, равны
ЭМС для разработчиков продукции
321
нечетному числу четвертей длины волны, цепи оказываются
эффективно изолированными друг от друга. В то же время паразитная
емкость способствует возникновению токов, стремящихся обойти путь
одноточечного заземления.
а) одноточечное заземление
Ь) модифицированное одноточечное заземление
многоточечное заземление в цифровой секции
с) многоточечное и гибридное заземление
Рис. 6.6 Системы заземления
конденсаторы гибридного заземления
Модификация одноточечной системы (рис. 6.6,Ь) связывает
вместе цепи заземления модулей с однотипными характеристиками, и
далее присоединяют эти цепи к одной точке одноточечного
заземления. Это позволяет уменьшить связь через общее сопротивление
между цепями и в то же время позволяет высокочастотным цепям
заземления оставаться локальными. Самые шумящие цепи
располагаются ближе к общей точке для минимизации эффекта связи
через общее сопротивление. Когда отдельный модуль имеет более
чем одну систему заземления, они должны быть связаны встречно
включенными диодами для предотвращения повреждений, когда
цепи разъединяются.
11 Заказ №1987
322 Компоновка и заземление
6.1.3.2 Многоточечное заземления
В гибридном и многоточечном заземлении (рис. 6.6,с) устраня
ются проблемы, присущие одноточечной системе. Многоточечно
заземление необходимо для цифровых систем и высокочастотны
цепей с высоким уровнем сигнала. Модули и схемы соединяютс
вместе многими короткими (менее ОД X) связями для минимизаци
напряжений общего режима, вызванных полным сопротивлеш
ем заземления. Альтернативным решением является применен*
большого числа связей с шасси, заземленной панелью или с други
проводящим телом с низким полным сопротивлением. Это не по,
ходит для восприимчивых аудиоцепей, если петли, образованные
системе, будут являться датчиками магнитного поля. Трудно устр
нять возмущение на частотах 50/60 Гц в таких цепях, но это толы
в том случае, если цепь сама подвержена их влиянию и если вели*
амплитуда, поскольку площадь петли также велика. Цепи, работ
ющие на высоких частотах или уровнях, не восприимчивы к эта
помехам. Многоточечная подсистема может быть сведена к однот
чечной в полной системе.
6.1.3.3 Гибридная система
В гибридной системе используются реактивные компонент
(конденсаторы и индуктивности) для создания системы заземлени
которая по-разному функционирует на низких и радиочастотах. Э'
может быть необходимо в чувствительных широкополосных цепя
В примере, представленном на рис. 6.6,с, экран относительно дли
ного кабеля заземлен непосредственно на шасси через конденсатор
для предотвращения режима стоячих волн, формируемых на ради
частотах. Конденсаторы блокируют постоянную составляющую
низкие частоты, и поэтому предотвращается образование нежел
тельных дополнительных петель в системе заземления между двул
модулями.
При использовании таких реактивных компонентов, как часп
системы заземления, необходимо позаботиться, чтобы ими не выз!
вались паразитные резонансы (которые могут усилить токи поме>
Например, конденсатор емкостью 0,1 мкФ, который используете
для развязки кабеля, самоиндукция которого составляет 0,1 мкГ
вызывает резонанс на частоте 1,6 МГц. Вблизи этой частоты буд
казаться, что кабель не заземлен!
Когда используется отдельно заземление для цепей постоянно
тока и пластины заземления для радиочастотных цепей (такие к*
шасси или рама), то подсистема заземления цепей постоянного toj
ЭМС для разработчиков продукции
323
подсоединяется к раме конденсатором емкостью 10 — 100 нФ. Две
системы должны быть объединены связью с низким полным
сопротивлением в одной точке, в которой присутствует наиболее высокая
скорость изменения тока di/dt, типа материнской платы или
объединительной платы блока.
6.1.3.4 Полное сопротивление проводов заземления
Когда провода заземления прокладываются на некотором
расстоянии от заземленной пластины или шасси, то перед соединением
с ними они могут рассматриваться как линия передачи. Она может
быть промоделирована в виде LCR-цепи, в которой компоненты L и
С определяют волновое сопротивление Zo линии (рис. 6.7). При
повышении рабочих частот индуктивное сопротивление становится
оборудование L R L R
а , WfYV-i—| , ГГГГ r "•
I провод заземления —
. Г Г
повторяющиеся
1,С&Й
плоскость заземления
эквивалентная схема (распределенные) I, C&R
tog |Z|,
параллельные резонансы
последовательные резонансы
Zs * R(ac)
i FP1 = 1/2m/LC
logF
Рис. 6.7 Волновое сопротивление проводника заземления
больше сопротивления провода и волновое сопротивление растет до
первой точки параллельного резонанса. В этой точке волновое
сопротивление для конца провода высокое, типичное значение —
сотни Ом (определяемое резистивными потерями в цепи). После
первого резонанса изменение волнового сопротивления для линии без
потерь следует закону:
Z - Zoban(cax^L/C), (6.1)
где х — расстояние вдоль провода до короткозамкнутого конца
линии, и определяются частоты последовательных (низкое полное
сопротивление) и параллельных (высокое полное сопротивление)
и*
324 Компоновка и заземление
резонансов. Поскольку потери повышаются из-за скин-эффекта, т<
резонансные пики и провалы становятся менее явными. Для тог
чтобы работать в области ниже первого резонанса и, следовательнс
являться эффективным проводником, провод заземления долже
быть короче 1/20 минимальной длины волны рабочего диапазона.
6.1.3.5 Защитное заземление
Из предыдущего обсуждения видно, что защитное заземлен?
(зеленый и желтый провод) вообще не является радиочастотны
заземлением. Многие проектировщики могут доказывать, что вс
связано с землей через зеленый и желтый провод, но при этом они ъ
учитывают, что эти провода имеют высокое полное сопротивлен*
на высоких частотах. В общем случае защитное заземление не нео<
ходимо для решения задач ЭМС: в конце концов, аппаратура на бат.
реях или аккумуляторах может функционировать весьма уедешь
без заземления. Хорошее соединение с низким полным сопроти
лением к опорной точке для радиочастот необходимо обеспечивач
локально при помощи шасси, рамы или платы, и во многих случае
это должно быть обеспечено параллельно с защитным заземление!
С другой стороны, если рассматривается помехоэмиссия источнш
питания или помехи, привнесенные по сети питания, которые ра
пространяются в общем режиме по отношению к защитному зазер
лению, тогда защитное заземление требуется для обеспечения ЭМ(
и конденсаторы фильтра должны быть подсоединены к нему. Это вь
полняется не потому, что это земля, а потому, что это путь возвраа
для токов возмущений.
Вполне возможно, что может быть необходимо преднамерен»
использовать защитное заземление радиочастотной схемы путе
использования последовательно установленного дросселя (см. i
8.2.3.6). В этом случае для токов помехи, циркулирующих внутр
системы, создается альтернативный путь, и прерывание этого пут
является простым способом улучшить ЭМС.
6.1.3.6 Карта заземления
Фундаментальный инструмент для использования на всех стад*
ях проектирования аппаратуры — карта заземления. Это диаграи
ма, которая показывает все опорные точки заземления и пути зазе*
ления (через структуры, экраны кабелей и т.п., а также проводник
плат и проводные соединения) для всей аппаратуры. Она отражав
только функцию заземления, опуская все остальные или представ
ляя их в виде блок-схем. Ее создание, реализация и обслуживани
ЭМС для разработчиков продукции 325
на всех стадиях проекта должно находиться под эгидой требований
ЭМС.
6.1.3.7 Выводы
В концепции заземления на уровне изделия, для размерностей,
скажем, до 1 м, на частотах ниже 1 МГц возможно одноточечное
заземление, и в ряде случаев оно предпочтительно. Выше 10 МГц
одноточечная система заземления не выполнима, потому что
индуктивность провода неприемлемо увеличивает полное сопротивление
заземления, а паразитные емкости способствуют образованию
непреднамеренных путей для токов заземления. Это создает в системе
заземления петли, которые могут быть восприимчивы к магнитным
полям, что следует избегать применением гибридной системы,
особенно для очень чувствительных цепей.
С позиций ЭМС даже схема, которая предназначена для работы
на низких частотах, должна показывать хорошую защищенность от
радиочастотных возмущений. Это означает, что аспекты
конфигурации ее заземления, которое подвергается воздействию
возмущений — по существу все внешние интерфейсы, — должны быть
спроектированы в виде многоточечного заземления. В крайнем случае
для интерфейсов должно быть обеспечено применение некоторых
заземленных панелей или плат с малым полным сопротивлением.
Принципы заземления
• Все проводники имеют конечное полное сопротивление,
которое увеличивается с частотой.
• Две физически разделенные точки заземления не имеют
одинакового потенциала, пока между ними протекает ток.
• На высоких частотах нет понятия одноточечного заземления.
6.2 Трассировка печатных плат
Подходы, которые лежат в основе проектирования печатных
плат, имеют существенные различия относительно обеспечения
ЭМС для изделия в целом, в которое встраивается плата.
Принципы, которые выделены выше, должны быть перенесены на печатную
плату, особенно при компоновке платы, трассировке интерфейсов и
заземления. Это означает, что разработчик схемы должен
тщательно контролировать специалиста, занимающегося трассировкой,
особенно когда применяются средства автоматизации проектирования.
Обычные программы автоматизированной трассировки работают по
326 Компоновка и заземление
принципу «от точки к точке». При этом система заземления буде
рассматриваться как одна точка, что приведет к катастрофически*
последствиям для высокочастотных характеристик схем, есл
ошибка не будет исправлена.
Проектирование многослойных плат рассматривается кратк<
Но, если используется традиционная технология одно- и двуст<
ронних плат, самый безопасный путь трассировки платы состоит
том, чтобы начать с раскладки шины заземления, если необходим'
ручным способом. Затем включают критические сигнальные цеи
такие как высокочастотная синхронизация или чувствительнь
узлы, которые должны быть проложены рядом с их возвратные
земляными проводниками, а затем прокладывают остальные цег
по желанию. С принципиальной электрической схемой разработчр
платы должен получить большой объем необходимой информаци:
Она должна включать:
« физическое разделение на функциональные подмодули, ра
полагаемые на плате;
• требования к размещению чувствительных компонентов и по
тов вход/выход;
■ разметку на принципиальной схеме, показывающую разли
ные точки заземления, вместе с которыми соединения моп
рассматриваться как критические;
• места, где различные точки заземления могут быть объедин
ны вместе и где — нет;
• какие сигнальные проводники должны быть расположен
близко к земляным проводникам, дополнительные требован»
к трассировке сигнальных проводников.
6.2.1 Размещение заземления без слоя земли
6.2.1.1 Полное сопротивление печатного проводника
Тщательная проработка заземления проходит длительный пут
для того, чтобы добиться снижения напряжения помех, которс
возникает на сопротивлении заземления. Но для любой нетрив*
альной печатной платы для полного устранения циркулирующих
системе заземления токов этот подход не практичен. Другой аспек
проектирования заземления заключается в минимизации значени
собственного полного сопротивления заземления.
ЭМС для разработчиков продукции
327
Полное сопротивление проводника преимущественно
индуктивное на частотах выше нескольких кГц (рис. 6.8). Индуктивность
соединения можно уменьшить двумя путями:
• минимизировать длину проводника и, если возможно,
увеличить его ширину;
* расположить проводник с возвратным током параллельно и на
минимальном расстоянии.
20,
дБОм
200 мВ
|V|(0
дБмВ
50мА
1k WkWMciMtOM
V(f)
эквивалентная цепь для
проводника толщиной
0,5 им, медь 1 унция
100 мОм
бОнГн
10см
приближенное сопротивление
Юсм
значение
на частоте
индуктивности, нГн зд МГц, Ом
0.5мм
5СМ
0 5MM
—*
2ММ
1см
t с
■*
3
60
30
16
18
11.3
5.6
3.0
3.4
0.5мм
Рис. 6.8 Полное сопротивление проводников на печатных платах
Индуктивность проводника печатной платы является прежде
всего функцией его длины, и только во вторую очередь — его
ширины. Для одиночного проводника диаметром d и длиной 1 дюйм
уравнение (6.2) дает значение собственной индуктивности (остальные
уравнения даны в Приложении С)
L = 0,00511 (ln(4Z/d) — 0,75), мкГн.
(6.2)
Поскольку индуктивность логарифмически зависит от диаметра,
то удвоение этого размера не даст 50% уменьшения индуктивности.
Распараллеливание проводников будет уменьшать индуктивность
328
Компоновка и заземлени
пропорционально при условии, что они расположены друг от дру!
на расстоянии, достаточном для нейтрализации эффекта взаимно
индуктивности (см. рис. 5.4). Для узких проводников при рассто
нии между ними 1 см эффект взаимной индуктивности незначит
лен.
6.2.1.2 Заземление в виде сетки
Логическим развитием системы параллельных земляных пр
водников является формирование системы заземления в виде се
чатой структуры (рис. 6.9). Это максимизирует число различнь
путей, по которым может протекать возвратный ток заземления
Узкая трасса заземления, проходящая близко к
активному или чувствительному сигнальному
проводнику, для обеспечения локального возвратного тока
Микросхемы с высоким уровнем
потребляемого тока, направление
к входной точке заземления—►
Весьма узкие проводники предпочтительно не применять
Рис. 6.9 Сетчатая структура шины заземления
как следствие, минимизирует индуктивность заземления при лк
бой ориентации сигнальных проводников. Такая структура хорош
приспособлена для создания цифровых устройств с различными т*
пами корпусов, когда затруднено определение отдельных сигнальнс
возвратных цепей [64].
Широкая шина заземления предпочтительнее узкой для миними
зации индуктивности, но даже узкий проводник, связывающий дв
удаленные точки лучше, чем его отсутствие. Лучший эффект сетча
той разводки достигается при расположении сетчатой структуры i
первом слое, за которым следует сигнальный слой или слой с шинам!
питания. Для двусторонних плат можно применить ортогональнун
разводку, при которой проводники на одной стороне платы ориенти
руются по направлению X, а на другой стороне — по направлении
Y, обеспечивая минимальное сопротивление переходного отверстия
Тогда сигнальные проводники с высоким значением di/dt могут рас
ЭМС для разработчиков продукции
329
полагаться около земляных проводников, чтобы обеспечить малую
площадь петли тока; в этом случае могут потребоваться
дополнительные проводники заземления.
Конфигурация заземления по отношению к типу цепи
Для низкочастотных аналоговых прецизионных схем не должна
использоваться та же структура заземления, что и для цифровых
цепей, потому что помехи в цепи заземления цифровых схем могут
нарушить работу аналогового устройства. Поэтому следует тщательно
определять пути токов заземления для предотвращения связи через
общее сопротивление. Задача упрощается при условии, что полоса
пропускания такой цепи ниже, чем частота помехи из-за
индуктивности заземления. Лучше всего для каждого типа цепи
предназначить отдельную область заземления, представляющую
многоточечную схему, а связь между областями выполнена как одноточечное
соединение.
Один тип конфигурации заземления, который не следует
использовать для любого типа цепи, является «гребенчатым» типом,
в котором несколько отводов шины заземления располагаются от
одной стороны платы до другой (рис. 6 ДО). Подобная конфигурация
I
путь
возвратного'
тока
Рис. 6.10 Нежелательная гребенчатая структура заземления
вынуждает возвратные токи протекать по широкой петле, даже если
сигнальный проводник короткий и прямой и способствует
увеличению связи за счет излучения и уровня генерируемых помех в
системе заземления. Большое значение общего полного сопротивления
заземления включенного между корпусами на плате, может так
330 Компоновка и заземление
же вызывать сбои в работе устройств. Гребенчатая конфигурация
может быть легко преобразована к сетчатой путем добавления
перемычек между отводами.
6.2.2 Использование слоев заземления
Предельный случай сетчатой структуры — бесконечное числе
параллельных путей и непрерывность проводника заземления
этот вариант известен как слой заземления. Он легко реализуете*
в многослойных печатных платах и обеспечивает самую низкук
индуктивность заземления. Это существенно для радиочастотны?
цепей и цифровых цепей с высоким быстродействием, а также обе
спечивает дополнительные преимущества при высокой плотност!
упаковки компонентов и определенность волнового сопротивление
для всех сигнальных трасс [96]. Обычная четырехслойная конфи
гурация включает шину питания в виде разделительного слоя
который обеспечивает низкое полное сопротивление шины питанш
относительно земли.
Главная цель установки слоя заземления в обеспечении ЭМ(
заключается в обеспечении заземления с низким полным сопро
тивлением и создании возвратного пути для токов питания с мини
мальными помехами в системе заземления. Экранирующий эффек-
для сигнальных проводников является вторичным и во многю
случаях уничтожен компонентами и их выводами, установленны
ми на плате. Имеется немного преимуществ в общем случае npi
расположении слоя питания и слоев заземления по сторонам сиг
нальных слоев в четырехслойных платах, особенно рассматривав
дополнительное усложнение тестирования, диагностику и ремонт
Исключение составляет случай, когда существенна скорость из
менения напряжения (dv/dt) связи к или от проводников, которое
возбуждается компонентами. В этом случае установка слоя питание
и слоя заземления по сторонам платы будет экранировать электри
ческое поле для этих проводников, но такой случай доминантной
связи достаточно редок.
На рис. 6.11 сравнивается сопротивление между двумя любыми
точками (независимо от расстояния) на бесконечном слое
заземления с эквивалентным сопротивлением коротких проводников.
Сопротивление начинает расти на высоких частотах, потому что из-зе
скин-эффекта увеличивается эффективное сопротивление слоя.
Но этот эффект проявляется как корень квадратный из частоты
(10 дБ /декада) и проявляется более сильно, чем индуктивное
сопротивление провода, которое прямо пропорционально частоте
ЭМС для разработчиков продукции
331
100м
10м
100м0м
ЮнОн
1н0и
—«
\. 1
прово
Дни
Г**
1—
1
кЗсмх(Цмм
ш
■Маш
ша
Й
конечная плоскость
: заземления* —
к"
к"
к
is»
ПЛ
"1унр
оскость
г*
?
-ТОЛЩШЛ
мк*
--}
г-
й
)
0.1
1.0
МГц ю
100
1G
* ширина слоя заземления 5 см
расположена на расстоянии 0,8 мм
от проводника длинной 3 см,
согласно уравнению (6.3)
Рис. 6.11 Полное сопротивление слоя заземления в зависимости от параметров
проводника
(20 дБ/декада). Для конечного слоя заземления точка в
геометрическом центре будет иметь идеальное сопротивление, а точки вблизи
внешней стороны будут иметь значительно более высокое
сопротивление, поскольку оно становится более индуктивным. Из этого
следует, что не следует размещать критические проводники около
края слоя заземления. Приближенное значение индуктивности
пути возврата тока на единицу длины для заданного сигнального
проводника на печатной плате дается в [53]:
L - b(d/w), нГн/см, (6.3)
где w — ширина слоя, d — расстояние между сигнальным
проводником, представляющим интерес, и слоем, в котором расположен
возвратный ток; длина возвратного пути значительно больше d.
6.2.2.1 Слой заземления в двухсторонних печатных платах
Частичный слой заземления также возможно применить в
двусторонних печатных платах. Это достигается не простым
заполнением всех пробельных мест на плате медью и соединением этих
участков с землей, поскольку цель слоя заземления состоит в
обеспечении пути заземления с низким индуктивным сопротивлением.
Это может быть достигнуто расположением слоя под или над
проводником, для которого необходим путь возвратного тока с низким
сопротивлением. На высоких частотах возвратный ток не занимает
геометрически короткий возвратный путь, а будет протекать в
непосредственной близости от сигнального проводника. При этом
формируется минимальная по площади область между прямым и
обратным проводом, а следовательно, обеспечивается минимальная
332
Компоновка и заземление
общая индуктивность. Таким образом, использование полного слоя
заземления гарантирует, что всегда будет сформирован
оптимальный возвратный путь, при котором будут получены минимальные
площади индуктивных петель [125].
Частичный слой заземления
На рис. 6.12 иллюстрируется развитие концепции слоя
заземления, начиная с простейшего случая двух параллельных прово-
Расстояние S определяет
общую индуктивную петлю
в каждом случае
параллельные проводники
проводники на
противоположных сторонах
платы
слой заземления на
противоположной стороне платы,
позволяющий сформировать
путь возвратного тока для
любого проводника над ним
Рис'6-12Путивозвратноготока
тивностью, следаДтпКТ°РЫ' Которые позволяют управлять индук-
Д»УХ параллельных П°МНИть' что °бщая индуктивность петли из
лоясных направлен Про^одников» которые несут токи в противопо-
УРавнением (6.4): ЯХ (сигнальный и возвратный), определяется
ЭМС для разработчиков продукции 333
L = L1+L2- 2M, (6.4)
где Ы, L2 — индуктивность каждого проводника,
2М — взаимная индуктивность между ними.
Взаимная индуктивность М обратно пропорциональна
расстоянию между проводниками; если они будут совмещены, они будут
иметь одинаковую индуктивность L и индуктивность петля будет
равна нулю. Напротив, индуктивность двух идентичных
проводников, несущих токи в одном направлении, определяется как:
Ъ=(Ь + М)/2, (6.5)
и сближение проводников увеличивает общую индуктивность по
сравнению с индуктивностью одиночного проводника. Поскольку
слой заземления несет возвратный ток для сигнального
проводника, расположенного над ним, этот слой должен быть расположен на
возможно минимальном расстоянии от сигнального проводника,
что минимизирует площадь индуктивной петли. Для непрерывного
слоя заземления это устанавливается только толщиной
диэлектрического основания платы.
6.2.2.2 Слой заземления для дешевых плат
Подходы, связанные с установкой слоя заземления, хорошо
разработаны для дорогих плат цифрой высокоскоростной техники,
в которой широко применяются многослойные печатные платы.
В меньшей степени понимают необходимость подобных подходов
к дешевым аналоговым изделиям. Добавление слоя заземления к
дешевой аналоговой плате часто является единственным наиболее
экономически эффективным изменением для улучшения
параметров ЭМС.
Несмотря на вторжение цифровой технологии, аналоговые цепи
все еще широко применяются в относительно дешевых изделиях,
особенно на потребительском рынке. Примером могут служить
датчики систем безопасности, таймеры и т.п. Для подобной продукции
стоимость является ведущим фактором, и цена компонентов и время
сборки должны быть минимальны. Объемы выпуска изделий могут
быть велики, и их сборка часто проводится в условиях
низкоквалифицированного труда, так что установка элементов в отверстия
платы все еще экономически выгодна по сравнению с монтажом на
поверхность. Стоимость двусторонней платы выше, чем односторон-
Компоновка и заземлени
ней. Эти изделия обычно проектируются без учета возможной пом<
хоэмиссии и исторически вопросы ЭМС не рассматривались в эти
проектах. Требования Директивы ЭМС подчеркивают важное?
помехоустойчивости к воздействию помехоэмиссии и переходны
процессов, что обеспечивает надежность функционирования. Эт
помехоустойчивость чаще и лучше всего достигается включение
слоя заземления в конструкцию платы.
Добавление заземленного слоя меди
Слой может быть включен простым добавлением верхнего ело
меди к односторонней печатной плате, без изменения первоначал]
ной трассировки (рис. 6.13). Верхний слой меди, который подве}
гается травлению, ограничивает зазоры между отверстиями дл
общая точка О В для
проводника и слоя
меди
слои меди со сторон
установки
компонентов
Рис. 6.13 Простой медный слой, добавленный к односторонней печатной плате
каждого вывода компонента — первоначальный рисунок
переворачивается. Верхний слой соединяется через отверстия или проводом
с проводником нулевого потенциала на нижней стороне. Отметим,
соединение должно быть выполнено по крайней мере в одной
точке — медный слой с плавающим потенциалом хуже, чем его
отсутствие, поскольку это увеличит емкостную связь между корпусом и
схемой.
Эта конструкция не позволяет слою вести себя оптимальным
образом, при котором ток, протекающий в пределах слоя,
минимизирует магнитную связь — слой обеспечивает минимально
возможную площадь петли для каждого пути тока. Это нельзя сделать
до тех пор, пока О В не будет отнесено к каждой цепи. Тем не менее
это действует как частичный экран электрического поля, уменыпа-
ЭМС для раараОо1чиков продукции
335
ющий емкостную связь на проводники. Это наиболее эффективно
для цепей с высоким сопротивлением, для которых емкостная связь
представляет основную угрозу. Это также приведет к уменьшению
дифференциального напряжения по длине и ширине платы, которое
индуцировано магнитными или электрическими полями. Об этом
следует думать, создавая квазиэквипотенциальную зону для
радиочастотных помех в области схемы.
Эффект слоя усиливается, если соединение О В сделать около
наиболее восприимчивой части схемы и если эта часть схемы
расположена далеко от края платы. Целью этого является гарантия,
что наведенное дифференциальное напряжение помех между слоем
и проводниками платы будет наименьшим в наиболее критической
области.
Преобразование медного слоя в слой заземления
Если допустимо некоторое увеличение стоимости и имеется
возможность применить двусторонние печатные платы, то это
позволяет придать потенциал О В одному слою, который становится в этом
случае действительно слоем заземления. Все цепи, подключенные
к потенциалу О В, являются возвратными, подключенными к слою
заземления через переходные отверстия, и наличие проводников на
слое заземления является излишним. В исправленной или новой
трассировке проводники на слое заземления полностью
отсутствуют, позволяя повысить плотность монтажа. На рис. 6.14
иллюстрируется это положение.
Точка О В,
непосредственно
находящаяся на слое
заземления
слои заземления со
стороны установки
навесных
компонентов
Рис. 6.14 Подключение всех проводников с потенциалом ОВк слою заземления
&Н» Компоновка и заземлент
Это даст хороший результат не только при уменьшении емкоса
ных связей между цепями, как рассматривалось выше, но такж
и магнитных связей, поскольку в этом случае формируются мин*
мальные по площади петли. При расположении чувствительны
цепей как можно дальше от края платы они будут защищены дост*
точно успешно. Краевые эффекты на слое заземления увеличиваю
ее эффективную индуктивность, и магнитная связь между провс
дниками ухудшается.
Не обязательно, чтобы слой заземления покрывал всю поверх
ность платы или даже всю область расположения проводников
достаточно, чтобы слой заземления лежал под критичными прово
дниками.
6.2.2.3 Разрывы в слое заземления
Необходимо, чтобы слой заземления оставался без разрывов i
направлении протекания токов. Любые отклонения от целостности
слоя существенно увеличивают площадь петель тока и, следова
тельно, индуктивность. Если разрывы необходимы, то в них еле
дует выполнять небольшие проводящие мостики, соотносящиеся
с критическими сигналами, которые соединят две области слоя
заземления (рис. 6.15). Щель в слое заземления, приводящая к
прерыванию тока, фактически сводит к нулю положительный эффект
Это не является слоем заземления!
Рис. 6.15 Слой заземления с разрывам
Если разрыв неизбежен, лучше выполнить
соединение коротким проводником в виде
мостика
от его применения. Поэтому многослойные платы с непрерывными
внутренними слоями заземления широко применяются в
проектировании, особенно для быстродействующей логики, которая требует
контроля волнового сопротивления линий. Бели применяется
двусторонняя печатная плата с частичным слоем заземления, то
проводящие мостики, как показано на рис. 6.15, должны соответствовать
всем критическим проводникам, особенно несущим
чувствительные сигналы.
ЭМС для разработчиков продукции
337
Наиболее типичный разрывов в слое заземления — щель,
образованная рядом монтажных отверстий, например при использовании
микросхем в корпусах SIL и DIL с рядным расположением выводов
(рис. 6.16). Такая щель оказывает самое плохое влияние на
проводник, подходящий к ее центру, поскольку в этом случае он должен
располагаться на краю платы, обходя имеющиеся щелевые
разрывы. Это вызывает рост индуктивности заземления и нежелательное
увеличение напряжения индуцированных помех в этой области
платы. Если щелевой разрыв располагается между
восприимчивыми цепями, тогда наблюдается общее снижение
помехоустойчивости, даже при наличии слоя заземления. Для решения этого вопроса
надо гарантировать, что каждая пара отверстий соединена тонким
медным проводником по прямой — современная технология
травления обеспечивает высокую степень разрешения. Это практически не
увеличит стоимость изделия, но в лучшем случае на несколько дБ
повысит устойчивость к помехам.
Индуктивность щелевого разрыва в слое может быть
промоделирована в виде длинной короткозамкнутой линии передачи. В [53]
дается приближенное выражение для этой индуктивности,
представленное на рис. 6.16. Поучительно сравнить порядок значений
щель в слое заземления вокруг ряда выводов
применение проводника между контактными
площадками прерывает щель
высокочастотный возвратный ток должен обходить
щель - значительная площадь петли эквивалентна
увеличению индуктивности
высокочастотный возвратный ток выбирает
оптимальный возвратный путь - минимальная
площадь петли приводит к уменьшению
индуктивности заземления
индуктивный эффект щели L = 5х/(2 + ln(w/s)), нГн
где х длина щели, см; w - ширина слоя с каждой стороны щели;
s - ширина щели, w»s и х<< ; для проводника, проходящего
через центр щели, w берется равным с каждой стороны
Рис. 6.16 Эффект щелевого разрыва при использовании микросхем с рядным
расположением выводов
338 Компоновка и заземление
этого параметра со значениями, полученными из уравнения (6.3):
проводник длинной 3 см, расположенный над неразрывным слоем
заземления шириной 5 см и на расстоянии 0,8 мм над ним, имеет
индуктивность с учетом возвратного пути 0,24 нГн. Щелевой раз
рыв под этим проводником шириной 1 мм, с расстоянием от концох
разрыва до краев платы 4 см (т. плата имеет размер 8x5 см) увеличиг
индуктивность до 2,6 нГн.
Индуктивность щелевого разрыва:
L = 5х/(2 + \п(и>/з)), нГн,
где х — длина щели, см; и; — ширина слоя с каждой стороны щели
s — ширина щели, w»s и х«\; для проводника, проходящего че
рез центр щели, w берется равным с каждой стороны.
6.2.2.4 Многослойные платы
Все предыдущие рассуждения, касающиеся конструкции слое
заземления в составе платы, полностью применимы для многослор
ных печатных плат (МПП). Дополнительно следует отметить, чт
для высокоскоростных систем целесообразно применять МПП.
В данной конструкции наиболее важно обеспечить смежное рас
положение критических сигнальных слоев и слоев питания ил
заземления. Кроме этого, слои питания и заземления должны быт
смежные, что увеличит межслойную емкость, необходимую для вь.
сокочастотной развязки. Критические цепи должны быть располс
жены ближе к слою заземления, чем к слою питания. Проводник
(обычно несут сигналы с высокой скоростью изменения тока di/d,
например, цепи синхронизации) не должны переходить от одног
слоя заземления к другому, пока эти слои не будут соединены вме
сте.
Рис. 6.17 иллюстрирует возможную (но не обязательную) кон
фигурацию различных типов МПП. Бели слои с ориентацией про
водников по направлениям X и Y используются совместно с общиг
слоем заземления, то это позволяет обеспечить желаемое волново
сопротивление линии и минимальное расстояние между слоям]
платы для высокоскоростных приложений. При конструировали!
плат с высокой степенью интеграции может потребоваться примене
ние более чем одного набора слоев с трассировкой по направления!
X, Y, как показано на примере 8-слойной платы (рис. 6.17). Если
высокоскоростной схеме можно выделить некритические трассы
то они могут быть расположены на смежном слое (отмеченном каз
«signal 2» на примере 6-слойной платы). Во всех случаях, размеща.
ЭМС для разработчиков продукции 339
слои питания и заземления рядом, обеспечивается максимальная
развязывающая емкость между ними.
4 слоя,
2 сигнальных
слоя
signaM
ground
power
signal 2
ground
«дп«11*
power
ground
signal 2
«fgnaltx
ground
signally
power
ground
signal 2 x
)round2
«irnul? у
[шоцелевоериеиение
j хорошая развязка по литанию ]
| хорошая развязка по питанию j
\SSSSSSSSS!rmm\
8 слоев,
4 сигнальных
слоя
Рис. 6.17 Последовательность слоев в МПП
Дополнительный слой заземления на внешней стороне платы
может быть полезен, когда емкостные связи, например от
компонентов большой площади, несущих высокочастотное напряжение,
существенны. В [108] описана ситуация, в которой радиатор
микропроцессора был электрически соединен со слоем заземления платы и
индуктивность соединения была значительно больше в том случае,
когда слой заземления располагался внутри, чем при наружном его
расположении. В результате эмиссия на частоте около 1 ГГц
увеличилась на несколько дБ. Если для проектируемого изделия
актуальны широкополосные аспекты ЭМС, тогда такой подход заслуживает
внимания, но для других случаев недостатки, связанные с
наружным расположением слоя заземления, не требуют значительного
внимания.
6.2.2.5 Перекрестные помехи
Слой заземления — полезный инструмент борьбы с
перекрестными помехами, которые являются внутренним проявлением
проблемы ЭМС. Перекрестная помеха, возникающая при
электромагнитном взаимодействии двух проводников, обусловлена индуктивной
и емкостной связью, а также связью через общее сопротивление
заземления. В общем случае имеют место все три фактора (рис. 6.18).
Действие слоя заземления заключается в существенном
уменьшении общего полного сопротивления заземления ZG на значение от 40
до 70 дБ, в случае бесконечного заземленного слоя по сравнению с
узким проводником.
340
Компоновка и заземление
емкость относительно земли
полное сопротивление взаимная
заземления емкость
Рис. 6.18 Эквивалентная схема при анализе перекрестных помех
Слой заземления может также уменьшить взаимную индуктив
ность (М12), обеспечивая непланарность связанных петель тока
Емкостная связь между проводниками непосредственно не под
вергается воздействию слоя заземления, но уменьшение волновогс
сопротивления линии (это эквивалентно увеличению Cl
снижать амплитуду перекрестной помехи.
lG и C2G) буде"
Проблема перекрестных помех, или внутренние помеховые свя
зи, не ограничивается цифровыми цепями, хотя они позволяют по
казать проблему наиболее выпукло. Обычная ситуация при анализ«
помехоустойчивости аналоговых цепей — перекрестные помехи ог
других цепей, несущих высокие помеховые токи или напряжения
Наиболее распространенная ситуация соответствует влиянию по
мех от источников питания, но радиочастотные помехи или переход
ные процессы, наведенные в сигнальных кабелях, также могут быт]
существенными. Всегда необходимо принимать меры для миними
зации перекрестных помех от этих источников путем разнесенш
цепей на максимально возможное расстояние (это приведет к ми
нимизации М12 и С12); или установкой электростатического экран*
между ними, если доминирующую роль играет С12; или установкой
слоя заземления для минимизации ZG и увеличения C1G и C2G.
6.2.2.6 Преимущества поверхностного монтажа
Технология монтажа на поверхность (ТМП) предполагает при
менение компонентов малых размеров, что способствует умень
шению помеховых связей, поскольку индуктивные токовые петл*
становятся меньших размеров. Это действительно имеет место, ж
полные преимущества ТМП проявляются при использовании МПП
с обязательной установкой слоев заземления. Только небольшие
преимущества обусловлены переработкой двусторонних плат по;
ТМП, вызванные уменьшением размеров платы и сокращением
ЭМС для разработчиков продукции 341
длин проводников. Преобладающая связь определяется скорее
проводниками, чем влиянием компонентов.
Когда используется МПП, площадь петель, образуемая
проводниками, уменьшается пропорционально произведению длины
проводника на расстояние между сигнальным слоем и слоем
заземления. Теперь доминантой будет связь, обусловленная
внешней областью, представленной выводами компонентов. Поэтому
уменьшение этой области представляет интерес. При решении
задач ЭМС применение ТМП и МПП со слоями заземления является
взаимодополняющим решением.
Дальнейшее преимущество ТМП состоит в повышении степени
интеграции компонентов, что позволит при выполнении
одинаковых функций уменьшить площадь платы. Это приводит к
снижению площади, занимаемой элементами входа/выхода, и более
эффективному использованию площади для установки элементов
фильтрации и ограничителей при необходимости.
6.2.3 Конфигурация цепей входа/выхода и заземления
6.2.3.1 Интерфейсная структура заземления
Техника развязки и экранирования для снижения токов
общего режима, появляющихся на кабелях, в обоих случаях требует
«чистой» земли, не содержащей внутренних шумов. Это
формируется структурой заземления с низким полным передаточным
сопротивлением, как показано в п. 6.1.2.2 для кабельных вводов.
Фильтрация на высоких частотах бесполезна без подобного
заземления. Если это не рассматривается как часть требований к
трассировке на ранних стадиях проектирования, тогда заземление
не будет доступным. Следует обеспечить заземление интерфейсов
группировкой всех контактов вход/выход в одной области и
соединение их экранов и развязывающих конденсаторов к отдельному
слою заземления в этой области. Заземление интерфейса должно
быть выполнено в виде отдельной области на печатной плате [100],
как показано на рис. 6.19, или в виде отдельной металлической
панели, на которой монтируются соединители. Внешнее заземление
(которое может быть только в виде защитного заземления
источника питания) и металлические конструкции или
металлизированный корпус, если он используется, объединены здесь посредством
низкоиндуктивного соединения. На рис. 6.20 показано типичное
расположение цифровых, аналоговых и интерфейсных узлов на
плате.
342
Компоновка и заземление
«Чистая» земля должна соединяться с внутренней логической
землей только в одной точке. Это предотвращает протекание токог
помех через слой заземления интерфейса и его «загрязнение». Ника
кие другие соединения к заземлению интерфейса не допускаются
Кроме предотвращения помехоэмиссии общего вида, в этом случае
ограничители и компоненты фильтрации
малошумящая земля
цепи средней критичности
одноточечная связь, если необходимо
низкоиндуктивное соединение к радиочастотному заземлению
Рис. 6.J 9 Заземление интерфейса на печатной плате
здесь не выполнять соединение t
Рис. 6.20 Область многоуровневого заземления
ЭМС для разработчиков продукции 343
входящие токи помех (переходные или радиочастотные процессы)
замыкаются на заземление интерфейса, и предотвращается их
протекание через восприимчивые цепи. Если по каким-либо причинам
необходимо обеспечить соединение интерфейса с устройствами или
печатными платами в различных местах, следует упорядочить их с
минимальным уровнем шумов для общего подсоединения к
отдельной структуре заземления, через которую не протекают токи схемы.
В этом случае используются элементы шасси.
Эти требования могут быть обеспечены выделением некоторой
области вдоль одного края платы под слой заземления интерфейса,
включая резистивные, емкостные и индуктивные фильтры входа/
выхода и ограничители для него (но не для других цепей), и
абсолютного отделением цепи О В или с применением единственной
перемычки. Критичные радиочастотные цепи должны быть удалены от
входов/выходов на возможно большее расстояние.
Для защиты от электростатического разряда (ЭСР) заземление
схемы должно быть соединено с заземлением шасси. Это может быть
легко выполнено за счет металлизированных отверстий на
проводниках заземления и использования металлических распорных
деталей. Если необходима изоляция по постоянному току между
двумя землями в этой точке, то используются керамические или
полиэстеровые радиочастотные конденсаторы 10 — 100 нФ. Можно
обеспечить «чистую» землю на врубных платах, используя
пружинные контакты для соединения заземления этих плат
непосредственно к шасси.
6.2.3.2 Разделение цепей заземления
Имеется два подхода к разделению опорных напряжений 0 В для
различных функциональных частей устройства. Первый (см. рис.
6.20) говорит, что в печатной плате нельзя развивать слой
заземления цифровой части на аналоговую часть, поскольку это приведет
к появлению помех от цифровой схемы к аналоговой. Одноточечное
соединение цифрового и аналогового заземления может быть
выполнено в цифроаналоговых преобразователях. Очень важно в этом
приложении не соединять отдельно цифровую схему с внешним
заземлением [43]. Если это сделано, то возникают пути внешнего тока,
которые позволяют помехам от цифровой схемы циркулировать в
«чистой» земле.
Интерфейсы цифровых схем (например, порты входа или
выхода) должны быть буферизированы таким образом, чтобы не было
необходимости в наличии опорного напряжения 0 В для цифровой
344
Компоновка и заземление
схемы. Лучший вариант в этом случае — применение изоляции
в виде оптронной развязки или реле, но это, конечно, приведет к
возрастанию стоимости. Когда применение развязки невозможно,
предпочтительно использовать отдельную буферную микросхему,
которая будет подсоединяться к опорной точке заземления входа/
выхода. В противном случае буферизация порта осуществляется
установкой последовательного резистора или дросселя и развязкой
линий непосредственно на входе платы (не в середине платы) при
помощи конденсатора и/или ограничителя переходных процессов,
подключенных к «чистой» земле. Более подробно о фильтрации на
портах входа/выхода сказано в п. 8.2.4.
Следует обратить внимание, как разделение системы,
рассмотренное в п. 6.1.1, является существенным для группировки
выводов входа/выхода и их расположения на удалении от шумящих
или восприимчивых узлов. Так же и шина питания в интересах
обеспечения ЭМС выполняется отдельным кабелем. Предполагая
это, используется блок сетевого фильтра, непосредственно
подсоединенный к «чистой» земле.
6.2.3.3 Сплошная универсальная цепь заземления
Второй подход диаметрально противоположен первому и
заключается в том, что все узлы должны быть подключены к единой
опорной неразрывной плоскости О В. Если выбран этот подход, то
очень важно, чтобы использовалось высококачественное заземление
с низким полным сопротивлением. Произвольные проводящие
элементы неприемлемы. Эффект данного варианта состоит в том, что
возвратные токи сигнальных цепей и питания протекают в
плоскости и связь через общее сопротивление между различными узлами
неизбежна. Она определяется удачной компоновкой и обеспечением
низкого полного сопротивления системы заземления, что снижает
эту связь до приемлемого уровня. Совместное расположение
чувствительных аналоговых и высокоскоростных цифровых узлов на
одной плате заземления опасно, хотя при тщательной проработке
вопроса разделения схемы это решение может быть приемлемым.
Преимуществом рассматриваемого подхода является отсутствие
возможности возникновения разности потенциалов в результате
воздействия помех или по другой причине между различными
узлами О В, поскольку все они сведены к одной плоскости. Как правило,
сложного вопроса, где расположить границы отдельных частей
схемы, избегают. Первая опасность заключается в наличии различия
опорных потенциалов на плоскости О В. Если плата устанавливается
ЭМС для разработчиков продукции
345
на металлическом шасси, то плоскость заземления может быть
соединена с этим шасси во многих точках, и это улучшит
радиочастотную «монолитность» всей сборки. При этом наведенные токи помех
будут вызывать меньший уровень внутренних возмущений.
Наконец, можно использовать любой подход, если его
последствия оценены. Разделение систем заземления снижает угрозу
взаимных помех между различными частями схемы, но требует
внимания при определении расположения границ и взаимодействия с
шасси, что может вызвать трудности при комплексных
многосекционных схемах. Объединенная земля позволяет легче управлять
параметрами заземления, но увеличивает риск воздействия одной
схемы на другую.
6.2.3.4 Соединение экрана кабеля
Развязка цепей входа/выхода имеет особую важность для
заземления любой схемы, потому что жизненно важно обеспечить токи
общего вида в кабелях на минимальном уровне. Пример представлен
на рис. 6.21. Если экран кабеля или возвратная цепь подсоединены к
Формирователь с одни выходом балансный выход
неправильно
правильно
заземление интерфейса
Рис. 6.21 Точка подключения экранов кабелей входа/выхода
неудачной точке по отношению к конденсатору развязки на выходе
формирователя, то ток с высокой скоростью изменения поступает на
источник питания формирователя (который протекает через
проводники, связанные с развязывающим конденсатором) и генерирует
напряжение шумов общего режима V^. Оно проявляется как эмиссия
излучаемых помех. Экраны кабелей всегда должны подключаться к
точкам, в которых обеспечивается минимальный уровень помех по
отношению к опорной системе заземления. Это означает, что всегда
346 Компоновка и заземление
должен выделяться специальный участок заземления и все кабели
должны непосредственно подключаться к нему (экраны) или через
него (сигнальные линии и шины питания).
6.2.4 Правила трассировки печатных плат
Поскольку непрактично оптимизировать все трассы на плате,
необходимо сконцентрировать усилия на тех трассах, которые
представляют потенциальную угрозу. Это те трассы, которые наиболее
часто несут сигналы с высокой скоростью изменения тока di/dU
особенно цепи синхронизации и шины данных, цепи с
прямоугольными импульсами и высокой мощностью, особенно в импульсных
источниках питания. С позиции восприимчивости чувствительные
цепи — особенно запускаемые фронтом сигнала, системы
синхронизации, прецизионные аналоговые усилители — должны также
выполняться с тщательно проработанной трассировкой. Как только
эти цепи идентифицированы и выделены, необходимо рассмотреть
вопросы образования индуктивных петель и связи через
заземление. Целью анализа является получение гарантий, что
циркулирующие в системе заземления токи шумов не приведут к сбоям и
нарушениям работоспособности системы.
Правила заземления
• идентифицируйте цепи с высокими показателями di/dt (для
помехоэмиссии) — синхронизация, шины формирователей,
мощные коммутационные процессы;
• идентифицируйте чувствительные цепи (для
помехоустойчивости) — низкоуровневые аналоговые, высокоскоростные
цифровые;
• минимизируйте их индуктивность заземления путем
• минимизации длины и площади охватываемой области,
• включения плоскостей заземления,
• расположением критических цепей на возможно большем
расстоянии от края платы;
• обеспечьте, чтобы внутренние и внешние шумы заземления не
могли проникать в систему или исходить из нее: включите
«чистую» область заземления для интерфейса;
• разделите систему на узлы для управления токами общего
режима, протекающими между узами;
• создайте и поддерживайте карту заземления.
Глава 7
Проектирование цифровых и аналоговых
цепей
7.1 Управление помехоэмиссией при
проектировании
Цифровые цепи являются весьма мощными источниками
электромагнитных помех. В основе цифровой техники лежит
использование высокочастотного прямоугольного импульса, который весьма
богат гармониками. Гармонические составляющие занимают такую
часть спектра, которая вызывает резонансные явления в кабелях.
Аналоговые цепи в меньшей степени содержат высокочастотные
прямоугольные импульсы, поскольку они не соответствуют их
нормальному режиму работы. Исключение составляют
широкополосные устройства обработки видеосигнала, которые обрабатывают
сигнал с широким спектром, достигающим нескольких мегагерц
или нескольких десятков мегагерц. Проектирование любых
аналоговых устройств, которые включают высокочастотные генераторы
или другие высокочастотные цепи, должно опираться на принципы
создания высокочастотных устройств, уделяя особое внимание
цепям заземления.
Некоторые низкочастотные усилительные цепи могут
генерировать в мегагерцовом частотном диапазоне, особенно когда
применяется емкостная нагрузка, и в этом случае, возможна помехоэмиссия.
Импульсные источники питания являются достаточно
интенсивным источником электромагнитных помех в диапазоне низких и
средних частот, поскольку в них генерируются достаточно мощные
прямоугольные импульсы.
7.1.1 Преобразование Фурье
7.1.1.1 Временная и частотная области
Основой для понимания причин, почему переключающиеся цепи
являются источниками помех, является концепция преобразования
сигнала из временной области в частотную. Большинство
проектировщиков электронных устройств работают с описанием сигнала
во временной области, поскольку сигнал наблюдается на экране
осциллографа, но любая повторяющаяся последовательность
сигналов может также быть представленной в частотной области, для
348
Проектирование цифровых и аналоговых цепей
Ва*отся по °ВНЫе измеРения и визуальные представления обеспечи-
3Уя осцилл11^^^116** анализат°Р°в спектра (часть 3.1.1.2). Исполь-
в° вРезуге» Гра*' можно увидеть только часть сигнала, описанного
СИгнала в**' Й прим®нение анализатора спектра показывает состав
частотн°й области. При этом относительные значения
Ра
Плиту р
ПосРедств Различных частотных составляющих сигнала видны не-
цУтем ц атическии аппарат, который позволяет провести анализ
Называе а3°ВаНИЯ сигнала из временной области в частотную,
пРеобпаТ°Я Преобразованием Фурье. Необходимые
°В Ф
r^ _ _ уравнения для
цРедстав °ВаНИЯ Фурье пРеДставлены в приложении С. На рис. 7.1
Форм ^ЛвНЫ спектРальные составляющие сигналов различных
анали а^^Ые соотношения не часто представляют интерес для
icn»»^ dMC). Синусоидальный сигнал имеет только одиночную
на его основной частоте. Прямоугольный импульс с
(крат малым Фронтом и спадом имеет ряд нечетных гармоник
Лооб ЫХ °,CHOBHO** частоте), простирающихся в бесконечность. Пи-
Разный импульс содержит как четные, так и нечетные гармо-
переключения цифровых устройств может пред-
иреЯ В ВИДе ггРапеЦеиДальН0Г0 импульса. Он, как правило,
^ Дставляется в виде прямоугольного импульса с некоторой дли-
ностью фронта и спада. Состав гармонических составляющих
ецеидального импульса уменьшается от основной частоты со
ростью 20 дБ/декада до некоторой точки, которая определяется
к 1ДГ, после которой уменьшение происходит со скоростью 40 дБ
На декаду (рис. 7.2,а).
Особый интерес представляет дифференцированный
трапецеидальный импульс, который представляет собой импульс с конечным
Фронтом и спадом. Он имеет такой же спектр, как трапецеидальный
импульс на высоких частотах, но амплитуды основной и нижних
нечетных гармоник меньше и равны между собой. (Это свойство
интуитивно ясно, поскольку дифференцирование обеспечивает спад
частот 20 дБ/декада.) Уменьшение длительности трапецеидального
Цикла на 50% вызывает такой же эффект уменьшения
гармонических составляющих для основной и нижних частот.
Асимметричная длительность фронта и спада приводит к
генерации как четных, так и нечетных гармоник. Это весьма важно,
поскольку различие между цепями высокого и низкого уровня для
генератора и нагрузок приводит к тому, что большинство
логических схем обладают различными временами фронта и спада, и это
ЭМС для разработчиков продукции
349
объясняет присутствие, и часто преимущественное, четных
гармонических составляющих высокочастотной части спектра.
Рис. 7.1 Спектры различных сигналов
Ill
7. /. 7.2 Выбор семейства логических схем
Неприятности, связанные с процессом переключения цифровых
схем, определяются длительностью фронта и спада цифрового сиг-
350
Проектирование цифровых и аналоговых цепей
20dB/ofecade
■ft -
t-.
у
8MHz,
tr»32ns ..
8MHz,
\
| (
\
4-
5ns
, »
I * •
1Я Шг f
0.a 1 12 !.< 1.1 II 2 2.2 !4
t !
10MHz logf 100MHz
a) b)
Рис. 7.2 Огибающие гармонических составляющих трапецеидального импульса
нала (отметим, что это не время распространения сигнала и этот
параметр редко указывается в технических данных; там, где оно
указано, обычно задаются максимальные значения).
Использование меньших значений скорости нарастания фронта по сравнению
с реальными приведет к минимизации амплитуд высокочастотных
гармоник, которые излучаются более эффективно. На рис. 7.2,6
показаны расчетные амплитуды гармоник для частоты переключения
8 МГц при длительностях фронта 5 не и 32 не. Как видно, при
меньшей длительности фронта значение амплитуды на 20 дБ больше на
частоте 100 МГц по сравнению с большей длительностью.
Опираясь на упомянутый результат, можно говорить, что
необходимо применять семейство логических схем с минимальным
быстродействием, которое еще обеспечивает требуемую скорость
обработки информации; не следуют применять быстродействующие
логические схемы, когда в этом нет необходимости. Следует также
подходить с особым вниманием к замене устройств на
быстродействующих микросхемах, например при замене 74 НС на 74 АС. Когда
части устройства должны работать на высоких скоростях,
используют быстродействующие микросхемы только для этих частей и
ограничивают зону этих сигналов. Эти предпочтения для
низкоскоростных схем, к сожалению, противоположны мнению программистов,
ориентированных на высокоскоростные процессы.
График на рис. 7.3 показывает измеренные гармоники для
прямоугольного импульса, следующего с частотами 10 МГц, для трех
устройств, построенных на различных сериях микросхем и
собранных по одной и той же схеме. Отметим поведение гармоник на
частотах, выше 200 МГц для микросхем серии 74 АС и 74 F. С позиции
ЭМС для разработчиков продукции
351
защищенности медленная серия будет меньше подвержена внешним
воздействиям, чем быстрая схема (см. п. 7.2.2.1).
«««. 74НС244
..... 74АС244
74F244
10МГц 100МГц 1ГГц
Рис. 7.3 Сравнение огибающих амплитуд спектральных составляющих для
микросхем различных серий
Некоторые производители интегральных схем рассматривают
проблему помехоэмиссии в радиочастотном диапазоне на уровне
чипов. При тщательном анализе режима переключения внутри БИС
шумовой ток, достигающий выводов микросхемы, будет
минимизирован. Предпочтительно оптимизировать время переключения, чем
минимизировать шумовые характеристики БИС для данного
приложения [66]. Пересмотр компоновки и уменьшение объемов приводят
к тому, что развязывающий конденсатор должен быть расположен
по возможности близко к чипу, он должен иметь минимальную
индуктивность выводов, которая имеет негативное влияние;
кроме этого, правила проектирования должны обеспечивать наличие
встроенных развязывающих конденсаторов (примерно 1 нФ).
7.1.1.3 Ток переключения 1СС
Компоненты спектра выходных сигналов имеют место не только
при помехоэмиссии от логических схем. Ток на контакте Vcc
(напряжение питания) имеет 2 компоненты (рис. 7.4):
• ток, подаваемый через выходной контакт(ы) и используемый
для заряда или разряда емкости на каждом выходном узле;
• ток, снятый через каскадный выход микросхемы при
переключении, когда он не проходит через выходной контакт.
Обе эти компоненты проявляются на контакте Vcc и должны быть
развязаны, как кратко обсуждается в части 7.1.3. Вторая
компонента не затрагивает сигнальный тракт и не воздействует на качество
352
Проектирование цифровых и аналоговых цепей
сигнала или его распределение, но она весьма существенно влияет
на способ развязки и использование шины заземления и питания.
Различные серии микросхем требуют управления этим
нежелательным током для того, чтобы снизить помехоэмиссию.
ток L, протекающий
через оба выходных"4-^,
транзистора в процессе
переключения
Jos ♦ 1ор
ци!ГЧ J_
ток L, протекающий
черезвыходной \
контакт к узлу J —Т~
переключения ф/
Рис. 7.4 Ток через контакт питания
7.1.2 Излучение от логических схем
7.1.2.1 Излучение в дифференциальном режиме
Как показано в разделе 5.2.1.1, эффективность излучения о1
малой петли пропорциональна квадрату частоты (+40 дБ/декада)
Это отношение справедливо, пока периметр петли составляет при
мерно четверть длины волны, например 15 см в стеклотекстолит»
(основание печатной платы) на частоте 250 МГц. Рассмотрение эти?
характеристик для огибающих гармоник трапецеидального им
пульса показывает, что помехоэмиссия дифференциального режим*
из-за тока в петле будет приблизительно постоянна при изменена*
частоты (рис. 7.5, а) выше некоторой точки, которая определяете*
временем нарастания сигнала [12]. Действительная огибающая по
мехоэмиссии на расстоянии 10 м может быть получена из уравнение
(5.11) при условии, что известны значения тока прямоугольногс
dB
4-40 дБ/декаду * интенсивность
излучения
Резонанс петли
+20 дб/декаду - интенсивность
F1
а) Помехоэмиссия диферемциального вида Ь) Помехоэмиссия общего вида
Рис. 7.5 Эмиссия от трапецеидального импульса, проходящего по
дифференциальному пути
ЭМС для разработчиков продукции
353
импульса (от пика до пика), время нарастания и основная частота.
Коэффициент Фурье для основной частоты F1 составляет 0,64,
поэтому излучение на F1 будет:
Е = 201g[l 19 10"
дБмкВ/м,
(7.1)
в диапазоне от линии с наклоном +20 дБ/декада до точки l/irtr, как
показано на рис. 7.5, а. Известно, что, комбинируя известные
времена фронта и спада импульса, а также выходного тока переключения
для заданного семейства логических схем с трапецеидальным
спектром при различных основных частотах, максимум помехоэмиссии
может быть рассчитан для различных площадей петли. Если эти
кривые сравнить с нормами EN класс В на пределы уровня
помехоэмиссии (30 дБмкВ/м на расстоянии 10 м при частоте 230 МГц), то
могут быть получены таблицы максимально допустимой площади
петли для различных семейств логических схем и частот
переключения. В таблице 7.1 приведены подобные данные. Рабочие параметры
микросхемы из этой таблицы (74ALS на частоте 30 МГц) показаны
под таблицей.
Параметр Д/ в таблице 7.1 означает динамический ток
переключения, который генерируется устройством и заряжает и разряжает
выходную емкость. Он не является статическим выходным током
высокого или низкого уровня. Некоторые производители дают это
значение как часть общих параметров микросхем. Это также
применимо к параметрам tr и tt, которые представлены в таблице, но не
относятся к максимальной задержке распространения сигнала.
Таблица 7.1 Помехоэмиссия дифференциального вида: приемлемая площадь
петли.
Семейство логических
схем
4000В CMOS @5В
74НС
74LS
74ALS
74АС
74F
74AS
ТА
НС
40
6
6
35
3
3
14
Al
мА
6
20
50
50
80
80
120
Площадь петли, см2, при частоте переключения
4 МГц
1000
45
18
10
55
55
2
10 МГц
400
18
72
4
22
22
08
30 МГц
—
6
24
14
0 75
0 75
03
100 МГц
—
—
—
04
0 25
0 25
015
Площадь петли для 30 дБмкВ/м, 30 230 МГц, 37 дбмкВ/м, 230 1000 МГц на расстоянии Юм
Пример примем семейство 74ALS при частоте переключения Fclk, равное 30 МГц
Худший случай составляет 150 МГц (5-я гармоника). Фурье-анализ тока источника
12 Заказ №1987
354 Проектирование цифровых и аналоговых цепеР
дан в пункте С.7 с (t+tr)/T=O,5; Т=33,3 не; tr=3,5 не и 1=50 мА дает IS) — ток пято
гармоники — 3,83 мА Из уравнения 5.11 для напряженности поля 30 дБмкв/м и 1(
на 150 МГц, как дано выше, приемлемая площадь петли составляет 1,395 см* (окр)
пленные в таблице до 1,4).
Трассировка и конструктивные параметры
Эти примеры показывают, что для частот переключения выше 30 МГ
или для быстродействующих логических микросхем (AC, AS или F) топ-
логия плоскости заземления играет существенную роль в организацг
петли. Площадь образованной петли определяется размерами издел*
и может быть несколько увеличенной за счет применения методов, огр
ничивающих внешние воздействия (экранирование и фильтрация). Э
информация должна быть использована на стадии определения проек
ных решений, когда высокая стоимость учитывается при выборе высок<
скорости переключения (в противовес, например, применению многопр
цессорных систем на низкой скорости). В таблице 7.1 представлены пар
метры одиночной излучающей петли. Обычно одна или несколько тра
доминирует при оценке помехоэмиссии. Излучение от этих петель дол
ны быть сложены таким образом, что п петель создают помехоэмисш
пропорциональную Vn. Если петли несут сигналы различных частот, т<
да их помехоэмиссия не складывается. Не надо делать ошибки, думая, ч
если топология цепей будет отвечать требованиям таблицы 7.1, то урове
помехоэмиссии будет ниже допустимого. Общее излучение часто име
преимущественно общий режим, но в таблице 7.1 приведены данные с
носительно помехоэмиссии дифференциального режима. Но, если цепь
отвечает требованиям таблицы 7.1, тогда будут необходимы эффективн.
меры по экранированию и фильтрации.
7.1.2.2. Излучение в общем режиме
Излучение общего режима, которое типично для болыпинст
кабелей и больших металлических структур, увеличивается пря]
пропорционально частоте (исключая резонансные явления), к.
дано в уравнении (5.12). Существуют 2 фактора, которые дела!
связь в общем режиме главным источником помехоэмиссии:
• излучение кабеля значительно более эффективно, чем от мал
петли, и малый ток синфазного режима (микроамперы) треб
ется для создания такой же напряженности поля;
• резонансы в кабелях обычно расположены в диапазоне от 30
100 МГц и излучения в этом случае превышают излучения
короткого кабеля.
Расчеты, подобные тем, которые проводились для дифференх
ального режима, могут быть использованы для анализа излучен
ЭМС для разработчиков продукции 355
кабеля при его базовом представлении, как дано на рис. 7.6. Эта модель
показывает, что кабель управляется напряжением синфазного
режима, которое развивается вдоль цепи заземления и является частью
------- ~ излучение
| i ] 0 5mm дистанция
r4~J :
«- -
-20dB VN напряжение,
развивающееся по длине
Рис. 7.6 Модель помехоэмиссии общего вида
логической цепи. Цепь заземления несет ток Al, который может быть
представлен компонентами спектра при анализе Фурье, затем этот ток
генерирует дифференциальное напряжение шумов VN, равное Д1*ш*£,
между шиной земли, приложенное к одному концу трассы, и
соединителя кабеля, приложенное к другому концу. Значение -20 дБ
разрешено для снижения связи по шине заземления; такая связь часто
вызывается случайными емкостями и структурными резонансами и очень
трудна в определении. Полное сопротивление кабеля приблизительно
определяется 150 Ом и постоянно по частоте — это среднее типичное
значение для кабеля между его резонансными экстремумами.
Размерами печатной платы можно пренебречь по сравнению с размерами
кабеля.
Влияние длины трассы
Индуктивность L является ключевым параметром для оценки уровня
излучаемых шумов. Модели, рассчитанные из условия: ширина
проводника 0,5 мм и расстояние от сигнального проводника 0,5 мм. При этом
взаимная индуктивность уменьшает общую индуктивность. В таблице
7.2 представлены допустимые длины проводников в зависимости от
частоты переключения и серии логических микросхем, так же как это
сделано выше для получения напряженности излучаемого поля, согласно
требованиям EN класс В.
Рассмотренную модель не следует принимать слишком серьезно
для прогнозирования. Существует множество факторов, например,
резонансы кабелей и изменения полного сопротивления с частотой
и при изменении топологии, резонансы трасс и цепей, емкостные
параметры, резонанс и изменение общих путей в шинах
заземления, которые не учтены в рассматриваемой модели. Рассмотрение
настоящей модели необходимо для демонстрации помехоэмиссии
356
Проектирование цифровых и аналоговых цепе.
логических цепей с доминирующим фактором синфазного режим}
Токи синфазного режима могут быть устранены:
• мерами, при которых токи логики не протекают между во
вратной землей и точкой, соединяющей внешний кабель;
• фильтрацией всех кабельных выводов для того, чтобы «оч
стить» землю, как обсуждалось в п. 6.2.3;
• экранированием кабеля с присоединением экрана к «чисто!
земле;
• минимизация напряжения шумов земли путем использован!
низкоиндуктивной шиной заземления или, что лучше, плоек
сти заземления.
Таблица 7.2 Помехоэмиссия общего вида: допустимые длины трассы
Комплект микросхем
4000В CMOS @ 5В
74НС
74LS
74ALS
74АС
74F
74AS
НС
40
6
6
35
3
3
14
Д1
мА
6
20
50
50
80
80
120
длина трассы в см в зависимости от част<
ты переключения
4 МГц
180
85
3 25
1 9
10
10
04
10 МГц
75
32
13
0 75
04
04
015
30 МГц
—
1
0 45
0 25
014
014
0 05
100 МГ
—
—
—
0 08
0 05
0 05
—
Допустимая длина трассы для 30 дБмкВ/м, 30 — 230 МГц, 37 дБмкВ/м, 230 — 1000 МГц на
расстоянии 10 м, длина кабеля 1 м, расположение параллельное, ширина трассы 0,5 мм,
расстояние между кабелем и землей 0,5 мм (2,8 нГн/м)
Пример, примем серию 74НС с частотой F = 10 МГц Худший случай соответств)
90 МГц (девятая гармоника) Из уравнения (о. 12) для напряженности поля Е, равной
дБмкВ/м, при длине кабеля 1 м!ш должен быть 2,8 мА.
Из VN = 150 /ш и, учитывая ослабление связи в 20 дБ, получаем VN = 4,18 мВ
Фурье-анализ тока источника дан в секции CJc (t+t)/T=Ot5, T = 100 не; t-бнсиЫ
мА дает l(g) — ток девятой гармоники — 0,826 мА Далее иэ1 = V,/(2rtf'l(^ допустим
индуктивность, которая определяет напряжение VN при токе 19) на частоте 90 МГц с
ставляет8,95 нГн, которое дает допустимую длину трассы 3,19 см.
Из таблицы 7.2 видно, что максимум допустимой длины трасс
для высоких частот и скоростных логических серий невыполним! (о
дельные показатели в мм!). Тем не менее одна или комбинация ран
рассмотренных приемов могут быть приняты для удовлетворения тр
бованиям. Очевидно, что, если точку заземления на рис. 7.6 сдвину
по направлению к точке присоединения кабеля, напряжение в цег
заземления развиваться не будет и применение кабеля становит<
приемлемым. Это и является целью создания «чистой» заземляющ»
ЭМС для разработчиков продукции
357
структуры. С учетом этого помехоэмиссия общего режима
вызывается только током общего режима, протекающим непосредственно в
цепях печатной платы. Это не значит, что эффектом таких токов можно
пренебречь — с повышением частоты переключения и при
использовании неэкранированных печатных плат излучения общего режима в
реальных случаях могут присутствовать.
7.1.2.3 Частота переключения и полоса излучения
Основным источником излучения в цифровых системах является
переключение блока процессора и его гармоники. Вся энергия в этих
сигналах концентрируется около нескольких специфических частот с
учетом того, что результирующая уровня этих сигналов на 10 — 20 дБ
дбмкВ/м
Нормы EN 55022
Рис. 7.7 Типичный график, показывающий гармоники переключения
генератор
распределенная
емкость нагрузки
-г/
ферритовая втулка, резистор
или индуктивность
л_
а) параллельный конденсатор (не рекомендуется) б) последовательное сопротивление
Рис. 7.8 Управление параметрами переключения
выше, чем излучения от других цифровых устройств (см. пример на
фигуре 7.7, который показывает доминантную помехоэмиссию 40 МГц
цифрового генератора). Поскольку стандарты гражданского примене-
358 Проектирование цифровых и аналоговых цепе!
ния, устанавливающие нормы помехоэмиссий не различают узкополос
ную и широкополосную помехоэмиссию, узкополосная помехоэмисси
должна быть минимизирована первой путем рациональной топологи]
заземлением и согласованием цифровых линий. Затем должно бьп
уделено внимание источникам широкополосной помехоэмиссий, в ос
бенности шинам данных/адреса, заземлению, а также видео и шина
высокоскоростной передачи сигналов.
Для всех цепей не должны применяться устройства, чье время пер
ключения будет меньше, чем это необходимо. Обычно имеется мно
высокоскоростных цепей, время переключения которых критично
скорость работы настолько высока, насколько это возможно. Но э
скорее исключение из правил. При проектировании цепей мы должр
применять по возможности микросхемы низкого быстродействия д.
минимизации генерируемых гармоник. Это может быть достигну
тремя путями: установкой последовательной реактивной нагрузки, и
раллельной емкости или использования буфера. На рис. 7.8 показаь
первые два случая. В общем, замедление выходного тактового генераа
ра с параллельным конденсатором происходит потому, что он облада
эффектом снижения скорости dv/dt при подключении к сигнальн
линии. Это увеличивает емкостную нагрузку на генератор, и поэто!
увеличивается di/dt от источника питания. Общий эффект может бы
ухудшен, несмотря на то что помехоэмиссия будет уменьшена. Прс
почтительней увеличивать последовательное полное сопротивлен
для гармонических составляющих на выходе генератора, и это луч!
сделать посредством малой ферритовой втулки (рис. 7.8,6). Часто в эп
случаях используется резистор с малым сопротивлением, а индукти
ность с малыми потерями часто используется как средство подавлен!
«звона».
Генерация с расширенным спектром
Одна из возможных альтернатив—это техника, которая наиболее ч
сто ассоциируется с передачей радиосигналов и известная как генераод
с расширенным спектром. В этой технике, которая была запатентова!
Lexmark в 1996 г. [73], частота переключения модулируется на 0,5 — 21
сигналом, имеющим расширенный спектр. В результате получаем* ра
пределение спектральной энергии каждой гармонической составляв
щей в широком диапазоне частот так, что измеренный уровень при п
стоянной полосе в 120 МГц лежит между 10 и 20 дБ [92]. Это достигаете
без какого-либо серьезного вмешательства в топологию и без увеличен*
времени нарастания импульса. Частота переключения будет содержа'
джиттер (нестабильность частоты), и поэтому эта техника может бьг
ЭМС для разработчиков продукции
359
применена в приложениях, где нет необходимости жестко выдерживать
временные соотношения, такие как телекоммуникация или видео, но
она будет бесспорно иметь широкое распространение. Одним эффектом
расширения как вверх, так и вниз по частотному диапазону является
потенциальное нарушение установок и удержания системы — высокая
нестабильность частоты создает возможность нарушения временных
параметров. Этого можно избежать путем расширения спектра в
область низких частот, модулированием только низкочастотной области
[54]. Другая проблема, названная PLL (phase-lock-loop — частотная
мультипликация), вызвана контуром фазовой автоподстройки блока
умножения частоты, который не может точно удерживать форму
сигнала модуляции так, что ожидаемое снижение уровня помехоэмиссии
может и не произойти.
Описанная техника не уменьшает общую энергию излучения,
поэтому многими специалистами в области ЭМС она не может
рассматриваться как замена целенаправленной работы по
проектированию.
Объединительные платы
Шины, которые предназначены для нескольких устройств, или
объединительные платы, которые предназначены для нескольких
земляная панель, минимизирующая отдельные
площади петель, проходящие через контакты
соединителей, содержащие сигнальные контакты
шина данных/адреса
определенные
земляющие
трассы, если нет
заземленной
платы
Рис. 7.9 Конфигурация объединительной панели
печатных плат, несут значительно большие токи переключения
(поскольку обладают существенной емкостной нагрузкой), чем цепи,
которые они объединяют. Изделия, которые входят в состав
объединительной панели, более подвержены помехоэмиссии- высокого уровня.
360
Проектирование цифровых и аналоговых цепе£
Высокоскоростные панели всегда выполняются в виде многослойны:
печатных плат с земляным слоем, и соединители дочерних плат долж
ны включать земляной контакт для каждой высокоскоростной цепг
цепи данных или адреса (рис. 7.9). Если это практически невозможнс
следует использовать распределенную возвратную землю для минимг
зации площади петли. Последовательность битов данных/адреса обьп
но имеют высокочастотные компоненты на соответствующих шиназ
которые должны быть расположены в непосредственной близости с
их возвратной земли. Трассы распределения импульсов должны Bceiy:
иметь соответствующую возвратную землю. Емкостная нагрузка t
сигнальных линиях каждой дочерней платы должна быть минималг
ной за счет использования буферов на платах для локального распред<
ления сигналов.
7.1.2.4 «Звон» в линиях передачи
Если линия передачи приближается по своим параметрам к дли
ной линии, то она должна быть согласована с целью защиты от «звона
«Звон» представляет собой высокочастотные колебания на плоской част
цифрового сигнала, когда определенная доля энергии сигнала отражает!
от нагрузки при рассогласовании между ней и линией. Подобное рассогл
сование со стороны генератора приведет к повторному отражению оч
редной порции энергии, которая перейдет на приемник, и т.д. Подобны
«звон» может воздействовать на передачу данных, приводя к нарушени
работоспособности, если при этом будут превышены некоторые допусп
мые границы. Кроме этого, «звон» может также быть источником изл:
чаемых помех. Амплитуда «звона» зависит от степени рассогласования ъ
каждом конце линии и от электрической длины линии (рис. 7.10). Соч
амплитуда - рассогласование
частота - электрическая длина
пик в спектре
на частоте "звона*
Рис. 7.10 «Звон» из-за рассогласования в линии связи
ЭМС для разработчиков продукции 361
тания генератор/приемник должны быть проанализированы в терминах
поведения линий связи, если:
2'tPD • длина линии > время переключения, (7.2)
где — tPD время распространения сигнала в не/единица длины
линии [96].
Таблица 7.3 Критические длины пинт передачи
Комплект цифровых
микросхем
4000В CMOS 5V
74НС
74LS
74ALS
74АС
74F
74AS
не
40
6
6
35
3
3
14
Критическая длина линий
12 футов
1 75 фут
1 75 фут
1фут
10дюймов
10 дюймов
5дюймов
Длина линии рассчитана для диэлектрической проницаемости = 45
(стеклотекстолит FR4), tpo = 1,7 нс/фут (примерно 5 нс/м)
Задержка распространения сигнала в линии зависит от
диэлектрической проницаемости материала платы и может быть
рассчитана, как дано в приложении С. 5. Степень согласования определяется
сопротивлением линии и сопротивлением нагрузки, и могут
потребоваться внешние компоненты для того, чтобы согласовать линию
на каждом конце. Большинство руководств и справочников
приводят рекомендации и формулы для проектирования линий связи
цифровых систем высокого быстродействия. Таблица 7.3. содержит
сведения, помогающие определить особенности цепей и конкретные
шаги по проектированию линий связи.
7.1.3 Развязывание цифровых цепей
В настоящий момент нет материалов, которые могут быть успешно
использованы в шинах питания Vcc и заземления; будучи включены в
конструкцию, они изменяют полное сопротивление и создают шумы
переключения при коммутации цепей, которые наблюдаются на
контактах Fc, как показано на рис. 7.4. С целью уменьшения динамики
изменения полного сопротивления применяются развязывающие
конденсаторы, которые играют роль индивидуального источника
питания микросхемы относительно земли. Это минимизирует локальную
просадку напряжения питания, когда имеют место высокоскоростные
импульсы, и более важно, что минимизирует длину проводников,
которые несут токи, изменяющиеся с большой скоростью di/dt. Выбор
362
Проектирование цифровых и аналоговых цепей
места установки конденсаторов весьма критичен. Конденсатор должен
быть установлен на минимальном расстоянии от цепи, которую он раз
вязывает (рис. 7.11). «Минимальное расстояние» в данном контекст»
а) допустимая; Ь) улучшенная; с)на плоскости заземления; факс) с последовательной индуктивностью
Рис. 7.11 Установка развязывающего конденсатора
означает, что оно меньше, чем V2 дюйма (менее 12,7 мм) для высокс
скоростной логики, такой как AS-TTL, АС или ECL, особенно когд
устройство отличается большим потреблением тока, например, схем
с открытым коллектором (bus drivers). Если все выходные каскадь
работающие на восьмиразрядные шины, переключаются из состояни
логического О в состояние логической 1 и наоборот, импульсный toi
который может достигать единиц ампер, проходит через контакты ш
тания микросхемы. Для малого тока в медленно работающих схема?
таких как КМОП серии 4000В, упомянутое расстояние может доста
гать нескольких дюймов.
7.1.3.1 Выбор компонентов
Критическим фактором при выборе конденсатора для развязк
высокоскоростных схем является скорее индуктивность выводох
чем значение емкости. Минимальная индуктивность выводов опрс
деляет минимальное полное сопротивление для высокоскоростны
импульсов. Малый дисковый, или многослойный керамический
или пленочный полиэстровый конденсатор (шаг выводов 2,5 ил.
5 мм) являются лучшими вариантами; конденсаторы в виде чип
являются еще более предпочтительными. Общая индуктивност
каждого контакта есть сумма индуктивности вывода и подходящег
к нему проводника. Плоский керамический конденсатор подсоедн
няется к выводам, расположенным в линию, и предназначен дл<
монтажа непосредственно на корпус интегральной микросхемы, чт
минимизирует индуктивность от вывода до вывода и обеспечивав
высокое качество функционирования на частотах выше 50 МГп
Они предпочтительны для использования в двухсторонних печа!
ЭМС для разработчиков продукции 363
ных платах (с земляным слоем в виде сетки, но не в виде плоскости,
на частотах приблизительно 50 МГц).
Рекомендуются следующие параметры развязывающих
конденсаторов [23] для стандартных логических схем (74НС):
• один навесной конденсатор 22 мкФ на плату для входа цепи
питания;
• один танталовый конденсатор 1 мкФ на 10 корпусов средней и
малой степени интеграции логических схем или памяти;
• один танталовый конденсатор 1 мкФ на 2 — 3 корпуса БИС;
• один керамический или полиэстровый конденсатор 22 нФ на
каждый буфер восьмиразрядной шины или для каждого
корпуса микросхем средней или малой степени интеграции;
• один керамический или полиэстровый конденсатор 22 нФ на 4
корпуса БИС.
Значение 22 нФ соответствует хорошему компромиссу между
развязкой на средних частотах и резонансным явлениям на высоких
частотах (см. пункт 8.2.1.2). Минимально требуемое значение может
быть рассчитано из уравнения (7.3):
с - М • М I ДИ (7.3)
Параметры Д/ и At могут быть в первом приближении взяты из
таблиц 7.1 и 7.2 в зависимости от значения АГна конденсаторе,
которое, на наш взгляд, обеспечивает допустимую просадку напряжения
питания. Типичная просадка в 0,25 В является разумной для
шинного буфера при 50 мА на выход и при длительности переключения
6 не; требуемая емкость составляет 9,6 нФ. Для малых устройств и
при высоких скоростях переключения требуется меньшая емкость
и часто ее оптимальное значение менее 1000 пФ. Снижение емкости
приводит к увеличению резонансной частоты, и более эффективно
будут подавляться высшие гармоники токов переключения.
Малый поверхостный танталовый конденсатор является
предпочтительнее объемного, потому что из-за особенностей конструкции
его самоиндукция значительно меньше, чем для алюминиевых
электролитических конденсаторов того же номинала.
7.1.3.2 Использование последовательных индуктивностей
В некоторых конструкциях печатных плат с развязывающими
конденсаторами не обеспечивается оптимальный режим развязки. Это
характерно для случаев, когда одна или несколько микросхем имеют
364
11роемирование цифровых и аналоговых цепей
общую шину питания с изменяющимся током di/dt, проходящим черес
соответствующие выводы питания. Наиболее общим примером это?
ситуации является использование однокристального микропроцессор*
без дополнительных цифровых компонентов; основным источником по
мехоэмиссии в этом случае являются гармоники токов переключения
текущих через вывод F,. Когда один развязывающий конденсатор рас
положен с корпусом процессора, а другой расположен где-либо на плате
интуитивно ясно, что токи шумов будут иметь место и будут развязань
посредством наиболее близко расположенного конденсатора. Но на прак
тике это условие не соблюдается для всех частот; индуктивности меж
трасса длиной I, трасса длиной 12
'in
1 "
То,
12
С2
V+
Модель
цепи
R+
Щы 100R j L+1 = 40пН
5пН 3 Lj.D2=10nH
С14п7]~
С2 22п
M1OOR 1Ом
Эквивалентная
схема
R+
1R0
полная схема ——
С1 . 47п ---
NoC2
L+1 в 5|lH
полная схема ——
С1 =4?п ---
NoC2
U1 т 5цН
1(Ю 200 1,0
Freq MHz
I1/)IN Эффект развязки
Рис. 7.12 Анализ эквивалентной схемы развязки
-,-r-fU- —гЛ-г
10
Ffeq MHz
J2/I(N
ЭМС для разработчиков продукции 365
соединений, включенные последовательно, изменяют параметры цепи с
удаленным развязывающим конденсатором, и шумовые токи
резонансных частот протекают по направлению к нему. Они в действительности
становятся больше по отношению к тому случаю, при котором
конденсатор отсутствует [55]. Это худший вариант по отношению к помехоэмис-
сии на этих частотах при установке конденсатора. Этот эффект может
быть рассмотрен путем анализа эквивалентной схемы (с
произвольными, но близкими значениями параметров, см. рис. 7.12). Источник помех
моделируется как частотно-зависимый генератор напряжения,
питающий цепь развязки и питания, имеющий полное сопротивление 100 Ом.
«Дальний конец» источника питания моделируется как конденсатор
10 мкФ с параллельно включенным сопротивлением 1 Ом. Конденсатор
С1 является локальным развязывающим конденсатором, С2 является
удаленным конденсатором, расположенным около другой интегральной
схемы, представленной в модели сопротивлением 100 Ом. (Эти значения
сопротивлений могут или не могут представлять полное сопротивление
на радиочастотах для интегральной схемы; в любом случае они
оказывают малое воздействие на анализ.) Линии передачи и паразитные
индуктивности включены, как показано на рис. 7.12. Два результирующих
графика показывают эффект развязки, представленный как отношение
/^ к 1Х или /2 соответственно для длин проводников 1Х или 1Г График,
расположенный слева, показывает эффект развязки в цепи между С1
и С2; график справа показывает эффект снижения эффективности
развязки за счет С2. Сплошная линия соответствует номиналам элементов,
приведенным на схеме, а пунктирные линии — различным вариантам
номиналов.
Анализ результатов моделирования
Во-первых, резонансный пик на обоих графиках (сплошная
линия) показывает увеличение тока в цепи (дБ больше 0) на
нижних частотах. Это происходит из-за резонансов индуктивности L+1
и L(2 с емкостями С1 и С2. На частотах выше 100 МГц все кривые
переходят в плато, и развязка будет определяться отношением ин-
дуктивностей, поскольку все конденсаторы работают выше частот
резонанса. Наиболее благоприятный случай относится к частотам
от 2 до 50 МГц.
Увеличение С1 с 4,7 нФ до 47 нФ улучшает развязку в диапазоне
средних частот, поскольку сдвигает резонанс в низкочастотную
область, что без необходимости нежелательно. Это объясняется тем, что
этот конденсатор велик по размерам, его собственная индукция LLD1
увеличивается до 10 нГн и ухудшение развязки наступает на частотах
366 Проектирование цифровых и аналоговых цепей
выше 20 МГц. Удаленный конденсатор С2 также ухудшает развязку
для цепи 12 и улучшает развязку для цепи lt на частотах выше 7 МГц,
потому что полное сопротивление, относящееся к lv увеличивается, v
поэтому устраняется ток, протекающий в нем. Модификация сказан
ного в реальной жизни будет зависеть от относительных значений 1г i
12 в формировании помех связи, имеющих место на печатных платах
Наилучшие результаты получены, когда полное сопротивление, отно
сящееся к llt уменьшается. Это может быть достигнуто только вклю
чением дискретной индуктивности; при анализе значение индук
тивности было выбрано 5 мкГн. Но это — достаточно произвольно*
значение. Можно видеть, что улучшение практически на всех часто
тах составляет примерно 40 дБ. Этот прием показан схематически н
рис. 7.11,d. Основное правило проектирования заключается в том, чт<
следует включить такую последовательную индуктивность (жела
тельно ферритовый чип-компонент, имеющий очень малые размерь
и низкую стоимость) в цепь +Fc, подходящую к каждой интегрально]
схеме, которая снизит помехи в линии питания до требуемого уровня
Это целесообразно, когда используется как плоскость заземления
так и плоскость шины питания в составе печатной платы.
Шины питания в виде плоскости
Анализ становится несколько иным, если печатная плата имее
4 или более слоев и включает слой питания. В этом случае индук
тивная связь между слоями мала, и поэтому резонансные явлени.'
могут быть опущены при анализе простых моделей. Однако все ещ
требуется расположение развязывающих конденсаторов на слоя:
питания и заземления. Подобная ситуация показана на рис 7.13
Микросхема устанавливается на 4-слойной плате, и ее ток помех Jc
протекает в слое питания и заземления (А). Развязывающий конден
слой питания компонент, генерирующий !„
(А) • несбалансированные
токи слоя заземления
слой заземления
(В) - сбалансированные
второй развязывающий конденсатор т0КМ слоя заземления
ii#l»iifHft1l>wWiWA^ ~ ГТ*
Рис. 7.13 Несбалансированные токи питания/заземления
ЭМС дли разработчиков продукции 367
сатор установлен в произвольном месте. Ток, протекающий между
ними, будет создавать напряжение помех +VN вдоль сопротивления
плоскости, и это напряжение помех будет создавать помехоэмиссию
общего вида, как рассмотрено в пункте 5.2.1, направленную от
платы к соединительному кабелю. Если теперь другой конденсатор
расположить на плате в позиции, которая точно симметрична установке
первого конденсатора (В), тогда будет создаваться противоположное
напряжение шумов -Т^. В результате происходит компенсация
напряжения помех и снижается уровень помехоэмиссии от платы.
Помехоэмиссии в рассмотренном случае может управляться
снижением помех типа /сс, генерируемых микросхемами, или
обоснованным расположением развязывающих конденсаторов для
того, чтобы компенсировать помехи на плате. Последний прием не
практичен во многих случаях, поскольку требует значительного
числа конденсаторов, расположенных на плате в непосредственной
близости от устройств, генерирующих помехи. Помехи типа 1^ от
отдельных компонентов могут быть снижены применением фер-
ритовых элементов в каждой цепи питания, как показано на рис.
7.11,d. Они должны быть также установлены рядом с
компонентами, которые генерируют значительную помеху типа /с так, чтобы их
межсоединения были короткими, и они должны быть расположены
как можно дальше от края платы.
7.1.4 Аналоговые цепи: помехоэмиссия
В общем случае для аналоговых цепей не характерны высокие
скорости изменения тока di/dt, которые типичны для цифровых
цепей, поэтому они обладают меньшим уровнем помехоэмиссии.
Высокочастотные аналоговые цепи (напомним, что помехоэмиссия
нормируется, начиная с частоты 150 кГц, и в некоторых случаях с
меньших частот) следует проектировать в части трассировки,
развязки и заземления, опираясь на те же правила, что рассмотрены
выше. Это справедливо и для низкочастотных аналоговых цепей,
которые не преднамеренно могут выйти за их проектный частотный
диапазон.
7.1.4.1 Нестабильность
Аналоговые усилители могут генерировать в районе мегагерц, и
это может быть вызвано следующими причинами:
• нестабильность обратной связи,
• слабая развязка,
• неустойчивость выходного каскада.
368 Проектирование цифровых и аналоговых цепей
Емкостная связь, вызванная неудачной трассировкой и связьк
через общее сопротивление, также является источником генерации
Любой прототип усилительной цепи в его конечной конфигурацш
должен быть проверен на высокочастотную нестабильность в номи
нальной полосе частот. Нестабильность обратной связи вызывается
нестабильностью около точки, где граница фазовой характеристик]
усилителя имеет критические значения. Это может быть связано
некорректной компенсацией режима операционного усилителя.
Неустойчивость является потенциальной проблемой для обе
спечения ЭМС в радиочастотном диапазоне, а именно: если уси
лительная цепь конфигурируется таким образом, что ее границ
стабильности уменьшается на частотах в несколько мегагерц, ъ
радиочастотная связь внутри цепи около этих частот будет значи
тельно больше похожа на эффект восприимчивости (см. 7.2.5.3.).
7.1.4.2 Развязка
Степень режекции помех источника питания уменьшается с ча
стотой, и связь по шине питания на высоких частотах может быт
существенна в широкополосных цепях. Эта проблема решаете,
развязкой, но типичный развязывающий конденсатор 0,01 — 0,
мкФ может вызвать резонансы на частотах в несколько мегагер!
из-за паразитной индуктивности длинных выводов питания, чт<
характерно для проблемы нестабильности в диапазоне частот ог
1 до 10 МГц. Установка параллельно электролитическому конден
сатору емкостью 1 — 10 мкФ конденсатора малой емкости будег
снижать резонансные частоты и добротность до приемлемого уров
ня. Индуктивность электролитического конденсатора, включенная
последовательно, вызовет резонанс с керамическим конденсаторов^
и существенно ухудшит ситуацию, хотя резистор в несколько Ом,
установленный последовательно с конденсатором, обычно
предотвращает это. Входные каскады многокаскадных усилителей с
большим коэффициентом усиления могут нуждаться в установке
дополнительных сопротивлений или ферритовых элементов
последовательно в цепи питания каждого каскада для улучшения
развязки по шине питания.
7.1.4.3 Нестабильность выходного каскада
Емкостная нагрузка вызывает задержку фазы в выходном
напряжении, на которую влияет сопротивление обратной связи
операционного усилителя (рис. 7.14). Увеличение фазового сдвига снижает
фазовые границы устойчивости цепи обратной связи и может приве-
ЭМСдля разработчиков продукции
369
сти к генерации. Типичная емкостная нагрузка часто присутствует
незримо для проектировщика, потому что не устанавливается как
отдельный компонент, а является емкостью подключенного кабеля.
операционного усилителя
10-100 Ом
сдвиг фаз, частота f = tan'^f/fj градусов,
где fc = 1 / 2я • R^ • CL
Рис. 7.14 Нестабильность, вызванная емкостной нагрузкой
Развязка большой емкости CL
с помощью Rs. и CF с типичным
значением 20 пФ
До тех пор пока длина кабеля составляет по крайне мере четверть
длины волны, которая распространяется в нем, кабель может быть
представлен как конденсатор: например, кабель широко
распространенной марки RG58C/U с волновым сопротивлением 50 Ом и длиной
10 м обладает емкостью 1000 пФ. Для предотвращения
нестабильности выходного каскада развязывающий конденсатор на выходе
устанавливается с последовательным резистором малого значения
и параллельно высокочастотной обратной связи устанавливается
малый конденсатор обратной связи CF, который компенсирует сдвиг
фаз, вызванный конденсатором CL. Когда критическая частота
высока, устанавливается ферритовый элемент, замещающий Rg.
7.1.4.5 Импульсный источник питания
Импульсный источник питания (ИИП) является наиболее
сложным объектом при анализе генерируемых элетромагнитных помех
[135]. Типичные частоты переключения от 50 до 500 кГц могут
излучаться как в дифференциальном, так и в общем режиме. Нижние
частоты более склонны к дифференциальному режиму, а высокие
частоты — к общему.
Основной компонентой помехоэмиссии от ИИП является частота
переключения и ее гармоники. Форма сигнала в ИИП, как
правило, асимметрична и, несмотря на относительно низкую частоту,
содержит четные и нечетные гармоники. Кроме этого, широкопо-
лостность помех может быть вызвана обратными токами в диодах
источника. Бели основная частота будет управляться, тогда
создается узкополостный спектр помехоэмиссии, расположенный в полосе
370
Проектирование цифровых и аналоговых цепей
30 МГц при малом фронте сигнала. Измерение посредством прибора
с полосой частот 9 кГц показывает, что можно выделить отдельные
гармоники, если основная частота больше, чем 20 кГц. Самовоз
буждение конвертора обычно происходит с некоторым дрейфом или
модуляцией из-за пульсации на входе или выходе, что приводит i
наличию отдельных гармонических составляющих, так что измеря
ется «огибающая» помехоэмиссии.
На рис. 7.15 показаны типичный ИИП с основными путями рас
пространения помехоэмиссии; структуры могут быть различные
Рис. 7.15 Пути распространения эмиссий от ИИП
1. Излучение магнитного поля от петель с высоким di/dt;
2. Емкостная связь по электрическому полю от узлов с высоким уровнем dv/dt;
3. Ток дифференциальной моды, протекающий через цепи постоянного тока;
4. Кондуктивные помехи и/или излучения на выходе
или трансформаторы могут быть заменены на катушки индуктивне
сти, но наиболее общий механизм образования электромагнитны
помех остается общим для любых конструкций.
7.1.5.1 Излучение от контуров с высоким di/dt
Излучение магнитного поля от контура, в котором развиваете
высокая скорость изменения тока di/dt, может быть минимизирс
вано уменьшением площади контура или снижением di/dt. Пр
низком выходном напряжении, выходные фильтрующие и сглаж!
вающие цепи могут выполнять эту роль лучше, чем входные цеш
Площадь контура является функцией компоновки и физически
ЭМС для разработчиков продукции 371
размеров элементов (см. п. 6.2.1). Скорость изменения тока di/dt есть
компромисс между частотой переключения и потерями мощности в
ключе. Она может в определенной мере управляться путем
замедления временных характеристик сигнала в ключевом элементе. К
сожалению, минимизация потерь мощности и увеличение частоты
идут в противоположных направлениях относительно требований
снижения электромагнитных помех. Минимальное di/dt для
заданных частот приводит к синусоидальному сигналу: конверторы,
работающие на синусоидальном сигнале (например, резонансный
конвертор [102]), имеют сниженный уровень помехоэмиссии.
Конструкция магнитных компонентов
Отметим, что, как показано в п. 5.3.4.1, экранирование дает
слабый эффект при излучениях магнитного поля от токов в контурах,
хотя успешно применяется при электрическом поле. Сердечник
трансформатора (или катушки индуктивности) должны быть такой
формы, чтобы магнитное поле было замкнуто и его излучение было
бы минимальным от этого источника. Тороидальный сердечник
является оптимальным с этой точки зрения, но не может быть
практически использован из-за трудностей намотки или потерь мощности.
Если используется сердечник с зазором, как широко
распространенный Ш-образный, зазор должен быть расположен непосредственно
под обмоткой, поскольку магнитный поток утечки располагается
непосредственно около зазора.
Быстрые переключения могут увеличить непосредственно
излучение, как от магнитных узлов ключей, так и от других
компонентов цепи на частотах выше 30 МГц, что отмечается тестами на
излучаемые помехи. Дополнительно подобное излучение может
вызвать на выходных контактах кондуктивные помехи (от 150 кГц до
30 МГц), если компоновка ИИП выполнена неверно. Всегда
необходимо удалять какие-либо элементы монтажа как можно дальше от
трансформаторов или катушек индуктивности.
7.1.5.2 Емкостная связь по отношению к земле
Высокая скорость изменения напряжения dv/dt в точке
переключения (коллектор или сток транзисторного ключа) будет
обеспечивать емкостную связь относительно земли и создает ток помех
общего вида. Решением является минимизация dv/dt, и минимальная
емкостная связь обеспечивает наиболее предпочтительный путь для
емкостных токов (рис. 7.16).
372
Проектирование цифровых и аналоговых цепей
Снижение dv/dt обеспечивается демпфером и путем
поддержания индуктивности утечки di/dt на низком уровне. Это также спо-
электростатический экран
узел с высоким значением dv/dt
демпфер - цепь
снижения dv/dt
вторичный экран,
необходимый в том случае,
если V^ существенно
меньше V.
а) уменьшение емкостной связи
вид, поясняющий секционность навивки
D
С
вторичная
обмотка
сепаратор
обмоток
межобмоточная емкость является доминирующей при низком значении dv/dt слоев А и О
в) конструкция трансформатора
Рис. 7.16 Уменьшение емкостной связи
собствует минимизации напряженностеи на цепях переключения,
хотя при этом увеличиваются потери мощности. Демпфирующий
конденсатор рассчитывается исходя из определенного значения
dv/dt с максимальной нагрузкой, отраженной от трансформатора;
последовательный резистор должен быть включен для
ограничения тока разряда через цепь переключения, когда она включается.
Можно, если необходимо, включить диод параллельно резистору
для того, чтобы установить резистор большого номинала и снизить
требования к устройству коммутации.
Электростатическое экранирование
Емкостная связь может быть уменьшена применением
электростатических экранов, применяемых в трансформаторах и тепло-
ЭМС для разработчиков продукции 373
стоках компонентов. Отметим свойства подсоединения экранов: они
подсоединяются к шине питания» что позволяет циркулировать
возвращающемуся к источнику току, но не к земле. Даже если
трансформатор не экранирован, его конструкция должна препятствовать
емкостной связи между первичной и вторичной обмотками (рис.
7.16.в). Разделение обмоток на различные катушки уменьшает их
емкость, но увеличивает индуктивность утечки. Связь
увеличивается между узлами с высокой dv/dt; так конец обмотки, который
подсоединен к F, или земле, следует экранировать от остальных витков
в многослойных конструкциях. Внутренний экран из фольги,
подсоединенный к точке с нулевым потенциалом, также будет уменьшать
связь при высоком значении dv/dt на внешних витках с другими
частями цепи. Физическое разделение цепей, несущих высокую
скорость dv/dt, является желательным [135], хотя это вступает в
противоречие с требованием компактности аппаратуры.
Альтернативой является применение эффективного экранирования.
Пики на частоте 20 МГц
Когда сравниваются графики кондуктивных помех от многих
различных типов аппаратуры, использующих импульсный
источник питания, примерно одинаковые опасные выбросы в виде пиков
отмечаются в районе от 5 до 25 МГц. Обычно они вызываются
высокочастотными гармониками цепей переключения [133]. Если
уровень пика ниже некоторого предела, тогда нет необходимости
принимать какие-либо меры. Но если он выше, то требуется следующий
продолжительный период работ по корректировке. При этом многие
решения могут оказаться не эффективными. Почему возникают эти
пики и почему от них так трудно избавиться?
Ответ лучше всего проиллюстрировать обсуждением
эквивалентных цепей тестирования. Существует четыре основные части этих
цепей (рис. 7.17,а): тестируемая аппаратура содержит фильтр
источника питания, его основные выводы, эквивалент сети и земляную
панель. Внутренняя цепь тестируемой аппаратуры представляет
источник шумов с напряжением Vs по отношению к шасси, которое
передается емкостным способом через основной фильтр в виде помехи
общего вида. Эта емкость Ссм, как рассматривалось выше, является
основным путем связи в большинстве случаев. Хорошо
спроектированная цепь и удачная компоновка направлена на минимизацию
этих значений, поскольку в этом случае формируется
потенциальный делитель из Су с комбинированной емкостью фаза-земля
фильтра источника питания. В большинстве портативной аппаратуры
374 Проектирование цифровых и аналоговых цепей
максимальное значение Су определяется границей безопасного тока
утечки на землю. Все фильтры, кроме самых простых, будут
включать последовательно установленную индуктивность £см, которая
подавляет синфазный режим. В этой эквивалентной цепи
показана только одна обмотка двойного бифилярного компенсирующего
дросселя, причем фазовая и нулевая обмотки рассматриваются как
идентичные. Важнейшим паразитным компонентом является меж-
витковая емкость Cw, которая ограничивает высокочастотные
свойства ферритового фильтра.
Предполагая, что эти цепи электрически короткие (меньше,
чем десятая часть длины волны для высшей частоты, т.е. 1 м для
30 МГц), эффекты линии передачи кабеля могут быть опущены v
кабель может быть представлен в виде сосредоточенных
параметров. Это преимущественно собственная индуктивность, которая
определяется длиной кабеля, взаимная индуктивность и емкост!
между проводниками, обозначенные как CCBL, самоиндукция транс
форматора Ьсхя и взаимная индуктивность М. Емкость тестируемо!
аппаратуры Са относительно земляной панели является также час
тью рассматриваемой схемы. Для аппаратуры без защитной земл!
она является критическим путем для связи общего типа. Любая за
щитная земля соединяет аппаратуру параллельно этой емкости.
По описанию этой эквивалентной схемы легко видеть, что имеет
ся несколько возможностей для возникновения резонансов, и основ
ной проблемой является определение критических компонентов
Наиболее простой путь для решения этой задачи — моделировани)
схемы. Результат моделирования (рис. 7.17,Ь, сплошная линия) по
казывает точную форму неравномерности функции передачи V^
измеренную на эквиваленте сети. Собственная емкость ферритовогс
фильтра участвует в резонансе с индуктивностью основного кабеля
которая, конечно, зависит от длины кабеля и взаимной связи про
водов внутри него. Действие этого резонанса может быть снижеш
установкой добавочного Y-конденсатора (конденсатор CY показан hi
рис. 7.17,а) емкостью 100 — 470 пФ на кабеле со стороны ферритово
го фильтра. Это приводит к снижению резонансных частот и умень
шению их амплитуд.
Другой серьезной проблемой является связь общего вида внутрх
тестируемой аппаратуры, включая некоторую индуктивность. Эт<
опять связано с режимом переключения в источнике питания, когда
соответствующая индуктивность является индуктивностью рас
сеяния ключевого трансформатора. Индуктивность рассеяния LLK(
устанавливается последовательно с CCN, как показано на рис. 7.17,а
ЭМС для разработчиков продукции
375
и частоты резонанса этой комбинации обычно лежат в диапазоне
5 — 10 МГц. На рис. 7.17,Ь пунктирной линией показан результат
действия этой индуктивности рассеяния. В зависимости от
соответствующих значений случайных емкостей и индуктивности
резонансные пики могут быть расположены, как показано на рисунке,
или могут перекрывать и усиливать друг друга.
тестируемая
аппаратура
у
эквивалент сети
соединительный
кабель
а) эквивалентная схема для моды общего вида
b) результаты
моделирования
(ослабление VN-Vmeas):
Cw = 20pF
Cs = SpF
М = 0,7
Пунктирная линия:
кке ~ 5^Н
1,006 406
частота —■— .,w*.w
Рис. 7.17 Анализ высокочастотных пиков помехоэмиссии
Поскольку Ссм в значительной мере определяется
межобмоточной емкостью трансформатора, резонансы невозможно смещать без
перепроектирования трансформатора. Обычно такой возможности
уже нет, когда испытание разработанной конструкции на
соответствие требованиям ЭМС завершены. Сознательное увеличение
индуктивности рассеяния — хотя не желательное для многих
случаев — может иметь положительное влияние на амплитуду пиков,
обусловленных связью. Альтернативным решением является
включение малого ферритового фильтра для подавления общего режима
перед CY в основном фильтре.
376
Проектирование цифровых и аналоговых цепей
7.1.5.3 Помеха дифференциального вида
Помеха дифференциального вида вызывается напряжением,
которое развивается на конечном полном сопротивлении конденсатора
при высокой скорости di/dt. Это всегда основной источник помех на
низкочастотных гармониках переключения. Выбор конденсатора с
малым эквивалентным последовательным полным сопротивлением
(BSL и ESR) будет улучшать ситуацию, но невозможно получить
достаточно низкое сопротивление в реальных конденсаторах для того
чтобы сделать помехи пренебрежимо малыми.
Дополнительная последовательная индуктивность и параллель
ный конденсатор со стороны входа будут ослаблять напряжение
проходящее к входным контактам. Конденсатор в этом случае будет
не эффективным на низких частотах, потому что полное сопротив
ление источника мало. Последовательная индуктивность более ч&ы
в несколько десятков мкГн трудна для реализации при высоки>
постоянных токах (напомним, что индуктивность не должна насы
щаться при пиковом токе, который значительно выше, чем средний
постоянный ток), и применение нескольких секций с малыми ин
дуктивностями будет более эффективным, чем одна секция. Когд*
используется несколько параллельных конденсаторов, они могу:
отделяться друг от друга последовательными индуктивностями; этс
мало скажется на общей емкости, но будет способствовать большому
г ; 1 V «-ESL • di/dt
дополнительный^!
фильтр ,
Rs
V1
I
с rl|
V2
-40дБ/декада
Рис. 7.18 Фильтрация помех дифференциального вида
ЭМС для разработчиков продукции 377
ослаблению высокочастотных гармоник при небольшой прибавке
стоимости.
На рис. 7.18 показана установка фильтров. LC-цепи могут также
располагаться на входной стороне преобразователя. Это будет
способствовать ослаблению широкополосных помех, вызванных
переключающими диодами преобразователя на рабочей частоте.
Главный входной фильтр (см. п. 8.2.3) будет способствовать режекции
помех дифференциального вида. Это также возможно за счет выбора
топологии переключающего конвертора с входной индуктивностью
(как дано в [59]), которая устраняет быстрые переключения с
высокой скоростью di/dt во входном и/или выходном сигнале. Когда
исследуются характеристики фильтра помех дифференциального
типа, следует, прежде всего, быть уверенным, что проверка
проходит на максимальной входной рабочей мощности. Не только
высокие токи переключения генерируют большой уровень помех, но
и пиковые значения входного тока могут приводить индуктивность
фильтра к насыщению и делать его неэффективным.
7.1.5.4 Выходной шум
Выбросы появляются на выходном постоянном токе во всех
ИИП. Они вызваны в основном конечным полным сопротивлением
выходных нагрузок. Такие выбросы попадают на внешние выводы
аппаратуры, на внешние линии и имеют как дифференциальный,
так и общий режим. Они могут переизлучаться на другие выводы
или наводиться на земляные контакты и генерировать помехи
общего вида. Накопительный конденсатор с низкой индуктивностью
является предпочтительным, но хорошее подавление
дифференциальной помехи может быть достигнуто, как и на входе, применением
высокочастотного фильтра с индуктивной секцией (L-секция).
Ослабление 20 — 40 дБ на частотах выше 1 МГц можно получить при
использовании ферритовых бусинок и конденсатора 0,1 мкФ.
Короткий импульс помехи общего вида не будет подавлен при установке
фильтра, и это хороший путь для того, чтобы определить, какой
режим помех является основным.
Резкая обратная характеристика восстановления диода(ов)
выходного выпрямителя может создавать дополнительные высокие
гармоники «звона» и переходных процессов. Когда обычный диод
переключается от состояния проводимости к состоянию
блокирования, есть короткий период времени, в течение которого прямой
ток продолжает течь и который приводит к нежелательному
дополнительному рассеянию мощности в диоде. Диоды быстрого восста-
378 Проектирование цифровых и аналоговых цепей
новления предназначены для того, чтобы минимизировать период,
в течение которого это происходит, и могут применяться в высоко
скоростных схемах. К сожалению, хотя эти устройства быстро вое
станавливаются, в процессе работы у них возникают очень быстрые
переключения остаточного тока — другими словами, высокие про
изводные di/dt. Это возбуждает резонансные контуры, созданньк
вторичными индуктивностями утечки трансформатора и паразит
ной емкостью, что приводит к высоким уровням помехоэмиссии т
резонансных частотах, модулируемых частотой переключения. Ohi
могут быть уменьшены, использованием диодов мягкого восстанов
ления или запараллеливанием диодов RC-цепочками.
7.2 Проектные решения по повышению
помехоустойчивости
Цифровые устройства, такие как микропроцессор, чувствитель
ны к быстрым переходным процессам, которые могут привести i
ложным состояниям систем. При этом большое внимание следуег
уделять любым переключающим цепям, а не только микропроцессо
рам, чувствительным к внешним электромагнитным помехм. Ана
логовые сигналы находятся под большим воздействием продолжи
тельных помех, которые выпрямляются элементами нелинейны*
цепей и приводят к смещению уровня сигнала. Помехоустойчивость
аналоговых схем улучшается при минимизации полосы
пропускания усилителя, максимизации уровня сигнала, использования
балансной конфигурации и электрической изоляции входа/выхода,
которые будут подсоединяться к «грязным» внешним цепям.
7.2.1 Цифровые схемы: пути проникновения помех
Большинство критических помех в микропроцессорных цепях
определяются качеством заземления, наличием общего режима
при частотном возмущении или переходном процессе, а также
нарушениями, которые вызваны преобразованиями шумов заземления
общего вида к дифференциальному виду в точках
восприимчивости. Это становится возможным, потому что высокое передаточное
сопротивление от общего к дифференциальному виду определяется
некачественной трассировкой печатной платы. Возмущение
дифференциального вида не будет распространяться далеко внутри цепей
внешних интерфейсов. Тем не менее трассировка цепей должна
быть направлена на то, чтобы токи помех по заземлению протекали
дальше от логических цепей. Если средств трассировки будет
недостаточно, на цепях входа/выхода устанавливаются фильтры или
ЭМС для разработчиков продукции
379
они изолируются для того, чтобы защитить пути токов от помех.
Излучаемые поля радиочастотных помех от внутренних источников,
которые генерируются в дифференциальном режиме,
распространяются таким же путем, как дифференциальная радиочастотная
помехоэмиссия. Они минимизируются площадью контура,
образованной цепью, и возможным уменьшением полосы частот
чувствительных цепей.
Принципы обеспечения помехоустойчивости логических цепей.
• Располагать пути электромагнитных помех вдали от
критических логических цепей: трассировка, установка фильтров и
изоляция в цепях вход/выход.
• Использовать логические микросхемы с высоким уровнем
допустимых помех (например, 74 НС).
• Избегать по возможности крутых фронтов во входных цепях.
• Использовать сторожевые таймеры.
• Применять программы, стойкие к сбоям.
7.2.1.1 Пути проникновения помех — переходные процессы
Типичные микропроцессорные устройства, включающие
источник питания, интерфейс, платы процессора, корпус и внешнее
соединение, могут быть представлены на высоких частотах [30]
эквивалентной схемой (рис. 7.19). Отметим, что шина 0 В будет
Металлический или металлизированный кожух
Переходной процесс
общей моды
ddа а аа
Интерфейс оператора
Распределенные
случайные емкости
Рис.7.19 Представление высокочастотной эквивалентной цепи - переходной
процесс
представляться как цепь с индуктивными параметрами и
распределенными емкостями по отношению к корпусу. Входящий импульс
общего вида на устройство может распространяться через шину
380 Проектирование цифровых и аналоговых цепей
0 В, генерируя дифференциальный короткий импульс в системе
заземления, который в свою очередь проходит по различным путям,
как показано на рисунке (виден эффект распределенных емкостей,
сказывающийся на формировании этих путей):
1.0т первичной к вторичной емкости, через источник питания *
О В, через аппаратуру и затем на кожух.
2. Как рассмотрено выше, но затем на выход и внешнее соедине
ние.
3. Непосредственно к кожуху, затем через распределенные кон
денсаторы на шину О В и на выход на внешнее соединение.
Если отсутствуют внешние соединения, тогда имеется проблем*
*(1) и она может быть решена установкой фильтров и/или электроста
тического экрана в трансформаторе источника питания. Проблем*
(2) появляется потому, что внешнее соединение может обеспечить бо
лее низкоимпедансный путь к земле, чем емкость корпуса. Вы не мо
жете управлять полным сопротивлением по отношению к земле дш
внешних соединений, поскольку вы должны принять, что маршру
будет существовать, и уверены, что ток переходного процесса будег
протекать по пути через корпус к интерфейсу, который не раслоло
жен в цепи. Это требует, чтобы структура корпуса рассматривалаа
совместно с другими вопросами, и она должна обеспечивать малы*
импеданс для переходного процесса и развязку между интерфейсо»
и корпусом в точке вход/выход (см. п. 8.2.4 и 6.2.3). Если корпус не
проводящий, тогда у токов переходного процесса нет выбора, кром«
как протекать через цепь, и в этом случае необходимо локальное
заземление интерфейса.
При наличии внешних соединений актуальной будет проблема
(3), которая вызвана фильтром источника питания, как только
высокочастотные части корпуса могут быть плавающими по
отношению к реальной земле. Это иногда наиболее сложный случай
для решения — каждая большая проводящая структура обладает
высоким импедансом и поэтому большой разностью потенциалов,
вызванных короткими переходными процессами. Защитные
заземления — зеленый или желтый провод — не являются точкой
возврата для высокой частоты (возвратитесь к п. 6.1.3.4 для определения
полного сопротивления земляного провода). Потенциал корпуса по
отношению к возвратному заземляющему проводнику определяется
комплексной цепью индуктивностей (соединительных кабелей) и
случайных распределенных емкостей, наличие которых
невозможно прогнозировать. Во всех случаях группировка всех контактов
ЭМС для разработчиков продукции
381
вход/выход вместе с главным выводом (см. рис. 6.20) будет
обеспечивать низкоимпедансный путь, который пройдет в обход цепи и
предотвратит протекание токов переходных процессов через
проводники печатной платы.
7.2.7.2 Пути электромагнитных помех — электростатический
разряд
Электростатический разряд (ЭСР) может воздействовать на
любую часть аппаратуры. Наиболее общий случай, как показано на
рис. 7.20, соответствует воздействию ЭСР на клавиатуру и панель
управления (1), внешние кабели (2) и на несущие металлические
Металлический или
металлизированный кожух
D QDEJO D
Интерфейс оператора
Распределенные
случайные емкости
Рис. 7.20 Представление высокочастотной эквивалентной схемы - ЭСР
конструкции (3). Разряд на близко расположенные проводящие
объекты (которыми могут быть незаземленные металлические панели
внутри аппаратуры) вызывает локальные токи переходного
процесса высокой интенсивности, которые затем будут вызывать
наведенные токи внутри аппаратуры за счет индуктивной связи или связи
посредством общих сопротивлений.
Поскольку имеется много потенциальных точек приложения
ЭСР, возможные пути токов разряда к земле весьма разнообразны.
Многие из них будут проходить через цепи заземления печатных
плат, через распределенные емкости, внешние устройства или
незащищенные цепи, и индуцированная разность потенциалов в
системе заземления будет вызывать сбои. Ток разряда проходит по
пути с минимальной индуктивностью, и если корпус будет соединен
с землей, тогда это будет являться действительной точкой стока за-
382 Проектирование цифровых и аналоговых цепей
рядов. Если это условие не соблюдается или корпус не проводящий,
тогда путь с минимальной индуктивностью будет протекать через
соединительные кабели. Если печатная плата не защищена, тогда
рекомендуемый прием заключается в создании «охранной
дорожки» вокруг нее, не соединенной с какой-либо цепью и отдельно
соединенной с землей.
Когда конструктив содержит несколько проводящих панелей,
все они должны быть соединены вместе, и соответствующее правило
для экранирующих корпусов описано в п. 8.3. Соединение должно
обладать низким полным сопротивлением (менее 2,5 мОм на
постоянном токе) и должно выполняться по крайней мере в двух местах.
Если этого не сделать, тогда поверхности панелей будут создавать
переходные электромагнитные поля высокой интенсивности при
прохождении тока разряда через них. Если они соединены длинным
проводом, ток через провод будет вызывать интенсивное магнитное
поле вокруг него, которое будет воздействовать на близко
расположенные проводники печатной платы.
Электростатический разряд имеет весьма малые длительности
фронтов (суб-наносекунды см. п.5.3.3.1), и поэтому распределенные
емкости «прозрачны» для них, в то время, как даже короткий
проводник заземления с индуктивностью в единицы нГн будет
представлять высокое полное сопротивление. В этом случае наличие или
отсутствие проводов заземления безопасности (которые имеют
высокую индуктивность) не будет иметь существенного значения для
реакции системы на ЭСР.
7.2.1.3 Защита от переходных процессов и ЭСР
Техника защиты от воздействия быстрых переходных процессов
и ЭСР в целом подобна тому, что используется при защите от
радиочастотной помехоэмиссии и одни и те же компоненты используются
в обоих случаях. Стратегия предусматривает предотвратить
появление переходных процессов и радиочастотных токов, протекающих
в цепях, и обеспечить их поглощение или возможность протекания
непосредственно к земле (рис. 7.21). Это достигается следующим:
• расположение всех внешних интерфейсов в непосредственней
близости один от другого;
• фильтрация всех интерфейсов с заземлением непосредственно
в их точках входа;
• если это невозможно, то изолировать чувствительные
интерфейсы с помощью ферритового изолирующего трансформатора
с общим режимом или оптоэлектронной связи;
ЭМС для разработчиков продукции
383
использование экранированного кабеля с экранированным
соединителем, подключенным непосредственно к заземлению
интерфейса;
экранирование печатных плат в районе щелей и отверстий
кожуха или в точках внешнего приложения разряда.
Изолятор
1 Печатная
i плата /
Нейтрализующий трансформатор общей моды
Внешний интерфейс,
расположенный а
непосредственной близости
Рис. 7.21 Защита отЭСР
Для уменьшения восприимчивости к ЭСР цепь заземления
необходимо поддерживать стабильной в течение протекания разряда.
Важно обеспечить низкую индуктивность в цепи заземления, и она
должна быть связана (посредством конденсаторов или
непосредственно) с главной системой заземления.
Кабели входа/выхода и внутренние проводные соединения
должны обеспечить пути с низким полным сопротивлением для тока, так
же как и в случае воздействия радиочастотных помех общего вида.
Лучший способ снижения чувствительности монтажа и кабелей
не может быть однозначно выявлен и определяется через
экономические соображения проектирования межсоединений. Внешние
кабели должны иметь экраны, хорошо развязанные со структурой
заземления (см. п. 8.1.5). Соединитель должен экранировать кабель
по всей окружности на 360°, и не допускается заделка экрана в виде
«косички» [119].
Изолированные корпуса представляют существенную проблему
для управления током электростатического разряда и создания
цепей заземления с низким полным заземлением. Но, если корпус
384 Проектирование цифровых и аналоговых цепей
сконструирован так, что в нем отсутствуют отверстия, через
которые поступает воздух во внутреннюю полость, тогда возможность
непосредственного разряда отсутствует и защита обеспечивается
диэлектрическими свойствами материала. Его пробивное
напряжение должно быть максимально. В этом случае сохраняется
необходимость защиты от воздействующего поля и косвенного разряда.
Интерфейс оператора
Клавиатура представляет интерфейс оператора, который
наиболее часто подвержен воздействию ЭСР. Кабель клавиатуры должен
быть экранирован путем оборачивания фольгой; экран на обои>
концах должен быть на 360° соединен с заземленным низкоиндук
тивным металлическим шасси. Пластмассовый корпус клавиату
ры должен быть изнутри покрыт металлом или фольгой, которы»
играют роль экрана между клавиатурой и печатной платой, котораз
непосредственно подсоединяется к экрану кабеля. Это необходим'
для отвода токов переходного процесса от цепей. Заземление экре
на должно быть связано с цепью заземления в точке входа кабел.
через конденсатор 10 — 100 нФ для предохранения потенциальног
разделения заземления при действии электростатического разряда
Мембранная клавиатура с полиэстеровои поверхностью имеет осе
бенно высокие диэлектрические параметры и поэтому хорошее ее
противление к ЭСР, но она должна включать плоскость заземлени
для обеспечения пути стока накопленных зарядов и повышения пс
мехоустойчивости.
Шасси
Подсоединение
заземленной
платы к шасси
Соединение
клавиатуры
Слой заземления
Мембранный узел
Рис. 7.22 Заземленная панель на мембранной клавиатуре
Плата заземления должна быть «укрыта» от возможного разряд
путем ее установки за поверхностью мембраны. Края заземленны
плоскостей представляют потенциальную проблему по отношени
к воздушному разряду, если имеется малое расстояние между пр<
водящей панелью и элементами мембранного узла. Поэтому зазет
ленная панель должна иметь обрамление вокруг себя, желателы
ЭМС для разработчиков продукции 385
не менее 1 см по ширине, для обеспечения защитного расстояния.
Заземленная панель должна непосредственно устанавливаться на
шасси с минимальным расстоянием, без установки на нее каких-
либо сигнальных контактов (рис. 7.22).
Защита устройств от перенапряжения при
электростатическом разряде
Интерфейсы могут быть особенно чувствительными к
протеканию электростатического разряда, если они легко доступны для
персонала или могут быть доступны для контакта при помощи
каких-либо предметов, несущих заряд высокого уровня. В этих
обстоятельствах необходима защита контактов интерфейса от переходных
процессов. В п. 8.2.5 обсуждаются основные варианты подавителей
перенапряжения; для защиты от электростатического разряда
должны применяться устройства повышенного быстродействия, но
не предназначенные для передачи или рассеяния большой энергии.
Пиковый ток разряда амплитудой 8 кВ создает ток только в 30 А в
течение нескольких не. Основной целью установки подавителей
является направление тока от чувствительных устройств к структуре
заземления, которой, как правило, является шасси, но также может
быть и шина 0 В. Это может быть достигнуто либо применением
биполярного стабилитрона, предназначенного для монтажа на
поверхность и выполненного в виде малого корпуса для минимизации
индуктивности выводов, или защитных диодов, которые
демпфируют ток, замыкая его на шину 0 В или шину питания. Рис. 7.23
показывает эти приемы.
Рис. 7.23 Защита входов от ЭСР
7.2.1.4 Уязвимые точки схем
Источник питания
Устройства на КМОП имеют широкий допуск на медленные
изменения напряжения питания Vcc, но это не характерно для других
технологий. Необходимо учитывать условия возможного
нарушения в системе питания, его прерывания и изменения параметров
386
Проектирование цифровых и аналоговых цепе
и необходимо проверять работоспособность в цепи при широко
изменении отмеченных факторов. Источник может вызывать т
кратковременные всплески питания, так и провалы напряжет
на шине питания. Напряжение питания, поступающее на схем
имеет некоторое максимальное значение (типичное — 7 В), «защ€
кивающее» КМОП-микросхему, при котором поведение устройст
становится подобно тиристорному триггеру между контакта1
источника питания, закорачивающему выход источника полоя
тельной полярности. Если ограничения тока не предусмотреть, s
может привести к выходу аппаратуры из строя. Во многих случа
ограничение тока достигается простым резистором с номиналог
несколько Ом, который установлен последовательно с источниког
Локальная развязка контакта
Входные проводники .
генератора, расположенные Г
рядом с процессором, ТГГ
разделенные от других -СТ~_
проводников
Ограничивающие
резисторы на чувствительных
входах \
Защитный фильтр
на шине установки
■CZD
\
Последовательный резистор
малого значения для
предотвращения
1 защелкивания
-спь
Ограничивающие резисторы
на протяженных проводниках
и внешних соединениях
Рис. 7.24 Средства повышения помехоустойчивости микроконтроллеров
Генераторы, цепи установки и прерывание входа
Контакты входа тактовых импульсов имеют высокий импе;
и особенно вероятны для поражения. Ток переходного процесса,
ступивший на этот контакт, вызовет сбой таймера процессора,
приведет к формированию ошибочной команды или нарушит дос
к данным, таким образом искажая счетчик программы или jip>
ДУРУ обмена данными с памятью. Входы перезапуска и запрос
прерывание также чувствительны к помехам, и ложные импул"
поступившие на них, приводят к распространению ошибки по
схеме процессора. На многих микроконтроллерах, импульс nej
пуска имеет минимальную продолжительность длиной в неско»
тактовых импульсов. Если на этот контакт придет импульс б
короткий, произойдет неполный перезапуск с непредсказуем
результатами.
ЭМС для разработчиков продукции 387
Следует обращаться с этими контактами микропроцессора с
максимальной осторожностью: предельно укорачивайте все шины,
ведущие к ним, ставьте буферные резисторы везде, где возможно, не
прокладывайте линии связи близко к плоскости заземления.
Порты входа/выхода
Порты входа/выхода, подсоединенные к протяженным трассам
или внешним соединителям, являются уязвимыми на 3 уровнях.
Малые значения шумов могут давать ложные данные. Высокий
уровень может влиять на содержимое регистров данных или
управления вход/выход, когда непосредственно ЭСР может воздействовать
на КМОП-схемы.
7.2.2 Помехоустойчивость логических схем
Возможность логических схем нормально функционировать в по-
меховой электромагнитной обстановке затрагивает более широкий
круг вопросов, чем их статическая помехоустойчивость. Проблема
состоит в том, что внешние переходные процессы, когда они
распространяются через систему, могут вызвать изменение в состоянии
микросхемы. Быстродействующие системы более чувствительны к
переходным процессам, чем медленно работающие.
7.2.2.1 Границы динамической помехоустойчивости
Эффект от воздействия быстрых переходных процессов будет
зависеть от пиковых напряжений, приложенных к входу логической
микросхемы, и от ее быстродействия. Любой импульс
положительной относительно О В полярности, но ниже порога переключения
(типичное значение — 1,4 В для 74НСТ, 50% V^ для 74НС),
приложенный к входу микросхемы, не вызовет ее переключение из 0 в 1 и
не будет распространяться в системе. Наоборот, импульс, амплитуда
которого больше порога переключения, вызовет переключение
микросхемы. Но импульс, длительность которого меньше, чем время
отклика микросхемы, должен иметь весьма большую амплитуду,
для того чтобы вызвать переключение микросхемы. На рис. 7.25
показан график [11], [16], который иллюстрирует чувствительность
различных серий логических микросхем к воздействию импульсов
разной ширины и амплитуды. Следует принять во внимание, что
переключение и переходные процессы от ЭСР лежат в диапазоне от 1
до 5 не. Это есть еще один аргумент в пользу медленной логики!
13*
388
Проектирование цифровых и аналоговых цепеР
При использовании синхронизации время поступления пере
пада по отношению к тактовой частоте (принимая, что искажени'
0V
Длительность импульса ; 5ns : 10ns ! 15ns
Рис. 7.25 Характеристика динамической помехоустойчивости
данных в линии происходит позже, чем импульс синхронизацш
из-за того, что кодовая посылка формируется в значительно бол!
шей временной области) является важным. Если перепад не совш
дает с активным импульсом, тогда некорректное состояние в лини
данных не распространяется через систему. Можно развить графи*
представленный на рис. 7.25, включив другие временные параметр]
импульса синхронизации. Tront [128] проводил испытания комб*
нации логической схемы и триггера, выполненных в 3-микронно
технологии КМОП, генерируя серию «окон опрокидывания»,
целью изучить чувствительность этой схемы к помехм. Также прс
водился анализ этого процесса, используя программу SPICE 3, дл
выделения той части цепи, которая обладает высокой чувствитель
ностью.
7.2.2.2 Связь при переходном процессе
Амплитуда любого импульса, подаваемая дифференциально н
логический вход, будет зависеть от площади контура, образованно]
при дифференциальной связи, которая пронизывается полем пере
ходного процесса Htransleut, вызванного током переходного процесса
заземлении It letlt, а также полным сопротивлением цепи генерато
ра — меньшее напряжение связано через большее полное сопротив
ление. По этой причине низкий порог напряжения относительно <
для микросхем LSTTL по отношению к схемам HCMOS отчасти ком
пенсируется высоким логическим уровнем О на выходе для LSTTL
ЭМС для разработчиков продукции
389
Если чувствительные сигнальные проводники расположены близко
от их возвратных заземленных проводников, как рекомендуется
при рассмотрении вопросов помехоэмиссии, тогда результирующая
площадь петли мала и мал уровень помех за счет дифференциальной
связи в чувствительном выходе (рис. 7.26). Другими словами,
передаточное полное сопротивление снижается для близко
расположенных сигнальных и возвратных проводников.
Низкое выходное полное
сопротивление, приводящее
к низкой связи
^transient
Малая площадь петли
большая площадь петли
Большая
связь
"transient
44
Малая
связь
"transient
0V
'transient
Рис. 7.26 Связь при переходных процессах, обусловленная токами в контуре
сигнальных и возвратных проводников
7.2.2.3 Восприимчивость на радиочастотах
Восприимчивость интегральных схем к радиочастотным
помехам, в противоположность помехам в виде переходных процессов,
рассматривается в диапазоне от 20 — 200 МГц. Восприимчивость
на уровне компонентов является широкополосной, хотя имеются
отдельные пики на различных частотах, вызванные резонансными
явлениями в путях связи. При увеличении частот до микроволновой
области отклик компонентов будет определяться паразитными
емкостями, которые создают альтернативный шунтирующий путь для
радиочастотной энергии. Прогнозирование уровня устойчивости к
радиочастотным помехам цифровых цепей с использованием
процедур имитации возможно для интегральных схем малого уровня
интеграции [131], но моделирование радиочастотных параметров
цепи для СБИС требует значительных усилий. Ресурсы,
необходимые для реализации подобных моделей для микропроцессоров и их
периферии, соизмеримы с разработкой нового устройства.
Первый эффект при радиочастотном воздействии может быть
отмечен на динамике логических микросхем, которые проявляются в
виде джиттера (нестабильность фронта) (рис. 7.27). Радиочастотный
сигнал добавляется к входному напряжению и формирует импульс
на нелинейных, активных элементах устройства. Когда его
параметры будут близки к импульсу переключения, он вызовет срабаты-
390
Проектирование цифровых и аналоговых цепей
вание микросхемы. Если временные соотношения цепи критичны,
тогда это вызовет сбой в ее работе. Таким образом, повышение по
мехоустойчивости в области радиочастот является одним из нервы?
проектных требований, обеспечивающих заданные временные соот
ношения в системе.
Джиттер Ложное переключение
Желаемый
выходной сигнал
Рис. 7.27 Эффект воздействия радиочастотных помех возмущений на логически
схемы
При увеличении уровня радиочастотных помех, все более а.
туальным становятся ложные срабатывания логических cxei
которые будут распространяться в цепи, если быстродействие схе
достаточно велико. Различные нарушения работоспособности могз
быть выявлены для логического 0 и 1, поскольку в этих случае
имеют место различные выходные сопротивления формировател.
Параметры входа являются более чувствительными, когда удерж
вается логический 0 по отношению к логической 1.
7.2.3 Защитная система микропроцессора
Техника минимизации амплитуд и устранение путей проникн
вения деструктивных внешних помех применяется при создан*
микропроцессорных систем, стойких к нарушениям работоспосо
ности. Но это не исключает риск. Появление переходных процесс(
с высокими амплитудами в наиболее чувствительных точках лиш
передачи данных вполне статистически возможно. Наиболее экон
мически эффективным путем создания надежной аппаратуры i
основе микропроцессоров является применение программ, которь
автоматически будут исправлять ошибки таким образом, что потр
битель не сможет отметить нарушение работоспособности систем]
Эту функцию выполняет система защиты микропроцессоров — ст
рожевой таймер [23].
Наиболее совершенные микропроцессоры включают встроенн]
охранные системы, которые производят опрос системы и ее воссп
новления после сбоев.
ЭМС для разработчиков продукции
391
7.2.3.1 Основа работы
Наиболее серьезным результатом повреждения импульсов
является то, что в программе процессора производится ложная
установка или указывается ложный адрес, так что прерывается
исполнение процедур или запись в память. В этом случае процессор либо
перегружается, либо выполняет произвольную операцию, либо, в
худшем случае, выполняет инструкцию, которая может привести
к серьезным отрицательным последствиям. Это может случиться,
если сбой произошел в стэковом регистре или памяти. Другими
словами, процессор зависает или находится в состоянии
«динамической остановки».
Охранная система защищает микропроцессор против подобных
ситуаций, заставляя его выполнять специфические, регулярные
операции, проверяя его работу и необходимость перезагрузки.
Охранная система представляет из себя фактически таймер, выход
которого соединен с входом RESET, и, будучи подсоединенным к
выходу микропроцессора, оценивает его состояние. Схематически
работа охранной системы показана на рис. 7.28.
Рестарт
Период
нзаде'и<кид
Г
V \
Рабочие импульсы Сбой
Перезагрузка питания ' ' микропроцессора микропроцессора
Рис. 7.28 Работа охранной системы
7.2.3.2 Период блокировки
Если таймер не принимает импульсы от выходного порта на
интервале времени более чем его период задержки, это означает, что
на выходе присутствует низкий уровень и микропроцессор должен
перезагрузиться. Период задержки, с одной стороны, должен быть
достаточно продолжительным для того, чтобы микропроцессор не
имел прерываний при выполнении определенных задач из-за
наличия охранной системы. С другой стороны, время повторного
включения должно быть таким, чтобы процессор продолжал выполнять
свои функции по управлению после перезагрузки (но при этом не
должно быть постоянных остановок системы и рестартов). Нельзя
392 Проектирование цифровых и аналоговых цепе?
указать точное значение периода задержки для всех случаев, н<
обычно оно лежит между 10 мс и 1 с.
7.2.3.3 Аппаратные средства таймера
Надежность охранной системы во многом определяет качеств
функционирования всей системы. Стандартный интегральны
таймер вполне пригоден для этих целей, но период задержки може
изменяться в широких пределах, что требует применения внешни
дискретных компонентов. Цифровой делитель (например, 40601
запитывается от высокочастотного генератора, периодически nept
загружается соответствующими импульсами и является наиболе
приемлемым, поскольку не требует каких-либо других компоне!
тов. Делитель, построенный на цифровых схемах, должен быт
встроен в ASIC, если он предназначен для других целей. Генератс
имеет достаточно высокую надежность при переходных возмущав
щих воздействиях, но подобный генератор должен запитываться с
невыпрямленного переменного тока 50/60 Гц. Внешнее проявлен!
цифрового делителя заключается в том, что его выход представляв
поток импульсов. Так, если незначительный сбой приводит к пер»
загрузке после первого импульса, или более реальный случай -
приходит другой импульс внешнего помех, перед тем как охранна
система переключилась, она будет продолжать выполнять попытк
переключения до тех пор, пока не достигнет успеха (рис. 7.29). Эч
более надежно, чем моностабильная охранная система, которая ре*
гирует только на одно переключение и затем запирается.
Импульс
переключения
триггера
Первая помеха I Вторая помеха
Рис. 7.29 Улучшенная астабильная охранная система
Программируемый таймер не может быть использован дл
выполнения функции охранной системы, однако может быть и<
пользован для ее построения как компонент. Вполне возможно, чт
импульсное нарушение может быть результатом выполнения пр<
граммы таймера, что приведет к запиранию охранной системы. Б:
дет являться неправильным решением заставить охранную систем
работать под управлением программы. Нарушения в течение это]
ЭМС для разработчиков продукции
393
периода не будут определены. Лучше включить внешний импульс
охранной системы в течение такой последовательности.
7.2.3.4 Соединение с микропроцессором
На рис. 7.28 показан выход Q сторожевой схемы, подключенный
непосредственно ко входу RESET одновременно с линией сигнала
сброса включения питания (POR). Во многих случаях будет
возможно и предпочтительно инициировать вывод таймера от сигнала
POR, чтобы гарантировать определенной ширины импульс сброса в
микропроцессоре при включении питания.
Для подключения сторожевой схемы необходимо использовать
только вход RESET (СБРОС) и никакой другой входной сигнал
микропроцессора, например прерывание, даже немаскируемое.
Процессор может быть в любом мыслимом состоянии, когда
срабатывает сторожевая схема и он должен быть возвращен к полностью
определенному состоянию. Единственное состояние, которое может
гарантировать надлежащий рестарт, — это сброс. Если
программное обеспечение знает, что это было срабатывание сторожевой
схемы, которая несет ответственность за сброс, такой результат может
быть достигнут путем считывания отдельного запертого входного
порта в ходе инициализации.
Перезагрузка
Длинная
последовательность^
Высокий уровень
импульса охранной —
системы
Прерывание в реальном времени*
Короткая;
Обратная связь
сервисных
подпрограмм
Высокий уровень
импульса
охранной системы
Подпрограммы обработки
прерывания
Возврат из прерывания
* Не должно быть заблокировано на период
больше, нем период задержки и меньше
! максимально длинного периода между вызовом и
j высоким уровнем импульса охранной системы
Высокий уровень импульса охр«"Юй октемы
Рис. 7.30 Структура программного обеспечения для переустановки охранной
системы
7.2.3.5 Источники импульсов механизма перезапуска
Особенно важно то, что микропроцессор не должен иметь
возможность продолжать «толкать» сторожевую схему, когда он находится
в состоянии зависания. Это требует наличия связи по переменному
току на входе схемы перезапуска таймера, что показано R-C-D цепью
394 Проектирование цифровых и аналоговых цепей
на рис. 7.28. Указанное состояние гарантирует, что только фронт (но
не уровень) вновь вызовет сторожевую схему, и предотвращает
срабатывание от сигнала вывода, который будет выше или ниже того,
который удерживается таймером. Тот же эффект может быть
достигнут использованием таймера, чей вход механизма перезапуска
срабатывает от фронта, а не от уровня импульса.
Использование программируемого порта вывода вместе со свя
зью по переменному току предпочтительно по двум причинам
Требуется две отдельные команды, чтобы установить и очистит]
его, поэтому намного менее вероятно, что его сможет переключит:
зациклившийся микропроцессор, в отличие от разработок, которы<
используют дешифратор адреса, чтобы произвести импульс всякш
раз, когда по данному адресу обращаются. Такая схема являете
восприимчивой к неудержимому наращиванию микропроцессоре!
адресов сквозь все адресное пространство. Во-вторых, если програы
мируемый порт прибора сам разрушен, но работа микропроцессор
тем не менее продолжается должным образом, то импульс схемз
перезапуска может прекращаться даже притом, что микропроце(
сор пытается записывать в порт. Последующий сброс будет гаранте
ровать, что порт полностью реинициализирован. Как обязательны
элемент программной политики следует принять правило, что прс
граммируемые периферийные устройства должны, так или иначе
периодически реинициал изироваться.
7.2.3.6 Генерирование импульсов переустановки в програм
ме
Размещение охранного импульса схемы перезапуска в прс
граммном обеспечении — наиболее критическая часть разработк
сторожевой схемы и требует осторожного подхода. С одной сторонь
слишком много вызовов различных модулей из программы, генер*
рующей импульс, ухудшает защищенность и эффективность сторс
жевой схемы; но, с другой стороны, любые нетривиальные приклад
ные программы будут иметь самые разные времена выполнения
будут использовать различные модули в разное время, так что ил
пульс может быть сгенерирован из нескольких различных мест.
Два часто встречающихся критических момента разработки npi
ходятся на операции инициализации и записи в долговременну
(EEPROM) память. Эти процессы могут занимать несколько десяг
ков миллисекунд. Анализ оптимального размещения импульс
схемы перезапуска с гарантией, что в рамках всех возможных но]
ЭМС для разработчиков продукции 395
мальных условий эксплуатации он будет сгенерирован в пределах
периода времени ожидания, весьма трудоемок.
В идеале микропроцессор должен только регенерировать
сторожевую схему, если есть уверенность, что все программы
выполняются нормально. Вы должны определить наиболее критические
подпрограммы и назначить байт соответствия флажкам задачи. Когда
задача выполняется, она устанавливает свой собственный флажок;
охранительная задача регенерации, работающая в основном цикле,
продолжает проверять флаги, и когда они все установлены,
сторожевая схема регенерирует и очищает байт соответствия.
7.2.3.7 Тестирование охранной системы
Это непростая задача, так как вся остальная часть
проектирования схем направлена на то, чтобы сторожевая схема никогда не
срабатывала. Создание искусственных состояний в программном
обеспечении не удовлетворяет нашей цели, потому что
протестированная таким образом система будет находиться в
нерепрезентативном состоянии. Адекватный технологический процесс испытаний
для большинства целей состоит в том, что мы должны подвергнуть
аппаратуру воздействию последовательности импульсов
переходных процессов, которые имеют достаточный уровень, чтобы
нарушить работу микропроцессора, очевидно в случае необходимости
используя специально «ослабленное» аппаратное обеспечение. Для
обеспечения безопасности особо важных схем, вероятно, придется
провести статистическое исследование, чтобы определить частоту
повторения импульсов и продолжительность воздействия, которое
установит приемлемые параметры. Установка светодиода на
выходе сторожевой схемы позволит обнаружить факт срабатывания.
Особенно уязвимое состояние — подвод воздействующих импульсов
так, чтобы микропроцессор снова сбился после того, как он
восстановился после предыдущего. Это, к сожалению, практически
постоянная ситуация.
Так же как при отладке надежности сторожевой схемы, при
тестировании новых вариантов программного обеспечения должна
использоваться аналогичная аппаратура и методика анализа
воздействия помех.
7.2.4 Защитное программирование
Определенная защита против воздействия помех может быть
предпринята при разработке программных средств. Широко
используется стандартная техника сохранения данных и коррекции
396 Проектирование цифровых и аналоговых цепей
ошибок. Свойства аппаратуры могут быть улучшены хорошо
разработанным программным средством. Они используются, когда
применены оптимальные приемы создания помехозащищенной
аппаратуры и программные средства расширят возможности в
этом направлении. Например, программа, которая не определяет
цифровой вход до тех пор, пока троекратный опрос даст такой
результат, который будет непроницаемым для импульсов, короче, чем
требуется. Если вы используете для тестирования только короткие
импульсы или одиночный перепад, аппаратура будет защищена, не
длительный импульс будет вызывать сбой, который должен быть
устранен помехозащищенной конструкцией.
Не все сбои микропроцессоров вызываются внешними помехами
Другими источниками являются внутреннее соединение, предель
ное значение параметров конструкции, особенности функциони
рования программ, метастабильность асинхронных цепей и т.п. Ти
пичной программной техникой являются:
• контроль типов и проверка принадлежности к диапазону всез
входных данных,
• выборка входных данных в определенные моменты времени i
их усреднение для аналоговых сигналов или проверка досто
верности для цифровых данных,
• контроль четности и контрольных сумм во всех системах пере
дачи данных,
• защита блоков данных в энергозависимых запоминающие
устройствах с обнаружением ошибок и коррекцией алгорит
мов,
• где возможно использовать переключение относительно уров
ня, чем триггерное прерывание,
• периодическое инициализирование микросхемы программи
руемого интерфейса.
Когда сбои определены при тестировании, часто трудно найт*
причину их возникновения. Подсоединение встроенных эмулято
ров, подвергающихся ЭСР или быстрым переходным процессам, ш
рекомендуется. Обычно вы можете рассортировать причины вну
тренних состояний после сбоев по состоянию портов вход/выход *
шин. Если вы можете выделить резервный контакт вход/выход дл>
диагностики, то состояние системы может быть легко определено
Альтернативно или дополнительно не используемые элементы па
мяти могут быть предназначены для хранения диагностическиз
результатов, которые определяются после сбоя [50].
ЭМС для разработчиков продукции 397
7.2.4.1 Легализация и усреднение входных данных
Если можно установить ограничение на параметры входных
данных в виде цифровых сигналов путем программирования, тогда
имеется возможность не допустить данные, которые не отвечают
этим ограничениям. Затем, как это происходит во многих системах
управления и мониторинга, каждый вход следует предназначить
для своего потока данных, что является простейшим способом не
ошибочных данных. Поскольку большинство видов помех
представляется в виде коротких импульсов или перепадов напряжения,
последовательность данных в потоке будет корректной и ничего не
будет потеряно за счет игнорирования плохих входных сигналов.
Приложение с определением типа данных может потребовать флага
скорее, чем просто игнорировать их.
Эта техника может быть расширена, если известны
максимальные требования к обмену данными. Вход, для которого превышены
эти ограничения, может быть проигнорирован, пока данные
находятся внутри этих ограничений. Программное усреднение данных
в потоке приводит к выравниванию флуктуационного процесса
шумов, что также способствует восстановлению данных.
Вы должны быть уверены, что, когда используется
модернизированная программа для определения ошибки, не будут
зафиксированы внутренние ошибки, которые необходимо отмечать флагом или
корректировать, такие как сбои сенсора. Большинство
комплексных алгоритмов необходимы для того, чтобы выявить
ненормальные условия функционирования.
7.2.4.2 Цифровые входы
Подобный процесс проверки должен быть применен к цифровым
входам. В этом случае существует только две стадии проверки,
поскольку диапазон тестирования не подходящий. Действительно,
примем, что входные порты будут опрошены с высокой скоростью,
сравнены действительные входные данные друг с другом и не будут
приняты до тех пор, пока два или три сравниваемых значения не
будут в согласии. Таким образом, процессор будет «слепым» к
поступающим импульсам, которые могут совпасть с опрашивающим
временным слотом. (Этот метод есть, конечно, не более чем вариант
стандартной техники возбуждения («de bouncing») входов.) Это
требует, чтобы скорость опроса была в два или три раза быстрее, чем
минимально требуемое для определения времени отклика, что может
потребовать более быстрого микропроцессора, чем оригинальное
изделие.
398
Проектирование цифровых и аналоговых цепей
7.2.4.3 Прерывания
Для описанных выше случаев предпочтительно, чтобы система
не зависела от прерывания по входу. Такие прерывания смогут
быть вызваны короткими импульсами шумов, которые могут быт!
восприняты как сигнал. Сомнительные прерывания необходимь
в некоторых приложениях, но параметры системы должны мини
мизировать их последствия. Если имеется возможность выбора
предпочтение следует отдавать уровню зависимым прерываниям п<
входу. Если прерывание не замаскировано, то на контактах вход,
может появиться импульс следующих друг за другом прерываний
который даст быстрый результат в переполнении стека.
7.2.4.4. Эстафетная передача
Структура программного обеспечения напоминает структур
бизнес-менеджмента: большие задачи решаются наверху, но ис
полняются внизу [50]. Опасность приходит, когда задачи, решаемы
внизу не координированы с решаемыми на верхнем уровне. Во:
мущение воздействуют на микроконтролер на низком уровне по;
программ путем возможного нарушения этих программ, вызыва
серьезные последствия. Структура «эстафетная передача» (toke
passing) (рис. 7.31) позволяет каждой подпрограмме проверять hoj
номочия вызывающей подпрограммы. Программа верхнего уровн
Подпрограмма
первого уровня
Подпрограмма
второго уровня
Контур нарушения подпрограммы
Рис. 7.31 Прохождение эстафеты по подпрограммам
отправляет специальный байт (эстафету) подпрограмме первог
уровня, которая проверяет его и, если необходимо, пропускает дал!
ше. Обычно прохождение эстафеты происходит успешно, но, есл
это не так, происходит перезагрузка системы. Конечно, существуе
определенная цена в стоимости, избыточности данных и времени, в
выбор подобной структуры более чем глобален.
ЭМС для разработчиков продукции 399
7.2.4.5 Защита данных и памяти
Энергозависимая память (оперативная память, RAM, в отличие
от ROM; EEPROM и флеш-память могут рассматриваться в данном
случае как энергозависимые, так как их данные могут быть
разрушены в момент записи) восприимчива к различным формам
искажения данных. Эти искажения можно будет обнаружить, если вы
поместите критические данные в отдельные массивы. Каждый
массив необходимо будет защитить контрольной суммой и сохранить ее
в специальной таблице. Проверка контрольной суммы с целью
диагностики может быть выполнена фоновой подпрограммой
автоматически в любой момент времени, когда вы посчитаете необходимым
проверить данные в оперативной памяти, после чего погрешность
может быть помечена, или может быть сгенерирован программный
сброс — как потребуется. Нет никакой необходимости знать
абсолютные значения данных RAM при условии, что контрольная сумма
будет повторно рассчитана каждый раз, когда массивы изменяются.
Больше всего остерегайтесь прерывания диагностирующей
подпрограммы операцией записи данных в проверяемый массив или
наоборот, иначе ошибки начнут появляться из ниоткуда! Конечно,
фактическое выделение разделов данных в отдельные таблицы — тоже
критическое решение проектировщика системы, поскольку оно
воздействует на полную устойчивость системы.
Некоторые долговременные ЗУ имеют в своем составе
программный запирающий механизм, который отключает операцию записи.
Полноценное использование этой особенности состоит в удержании
памяти постоянно запертой, с отпиранием ее только в течение тех
редких моментов, когда должны записываться новые данные. Если
сбои питания или сбои микропроцессора произойдут
непосредственно во время записи в долговременное запоминающее устройство,
запоминаемые данные будут неизбежно потеряны. Чтобы
ликвидировать проблему, используйте COPY-MODIFY-STORE-ERASE-no-
следовательность, чтобы предотвратить особо важные данные от
частичной перезаписи.
7.2.4.6 Неиспользуемая память программы
Одна из угроз, обсуждавшихся в разделе, посвященном
сторожевым программам (раздел 7.2.3), была возможность
микропроцессора обращаться к неиспользуемому данной программой пространству
памяти из-за сбоя в счетчике команд. Если он это делает, то любые
данные, которые там находятся, он интерпретирует как команды
400
Проектирование цифровых и аналоговых цепе
программы. В таких обстоятельствах было бы полезно, если бы эт
действие имело предсказуемый результат.
При попытке доступа по несуществующему адресу шина во
вращает сообщение #FFrr снабжаемое повышением напряжения i
пассивных линиях шины. С этим ничего нельзя поделать. Одна!
незапрограммированная часть ROM также возвращает #FFHy и э*
можно использовать. Хорошая технология состоит в том, чтоб
записать во все неиспользованные ячейки памяти однобайтов>
команду микропроцессора NOP (холостая операция) (рис. 7.32).
последние несколько ячеек памяти в ROM может быть занесена к
манда JMP RESET, обычно трехбайтовая, которая будет сбрасыва
Программируемая
ROM
| Используемая !
Неиспользуемая!
Свободная
Ложный перескок
! --■>
Восстановление
Рис. 7.32 Защита неиспользуемой памяти с помощью процедуры NOP
микропроцессор. Тогда, если микропроцессор по ошибке обращает'
к неиспользуемой части памяти, он попадает на строку команд NC
и выполняет их (что вполне безопасно), пока не достигнет команд
JMP RESET, по которой и перезагрузится. Как один из варианто
можно предложить заполнение неиспользуемых зон памяти кома
дой STOP вместо NOP, по которой будет срабатывать аппаратнь
сторож, перезагружающий систему.
Эффективность этой методики зависит от того, какой объем i
полного возможного пространства памяти будет заполнен кома
дами NOP или STOP, так как микропроцессор при сбое может обр
титься по чисто случайному адресу. (На самом деле, ошибки далеь
не совсем случайны и, возможно, обусловлены особенно восприш
чивым состоянием или конкретным слабым местом линии данны:
адреса). Если микропроцессор обращается к несуществующее
адресу, результат обращения будет зависеть от того, как он воспр
мет сообщение #FF,, и как его обработает. Относительная дешевиз!
больших ROM и EPROM означает, что вы можете рассматривать ъ
использование, и для формирования файла полной карты памяч
ЭМС для разработчиков продукции 401
с ROM, даже если ваши требования к объему программы
незначительны.
7.2.4.7 Повторная инициализация
Так же, как для защиты данных в оперативной памяти, вы
должны не забыть принять меры против искажения установочных
состояний программируемых приборов типа портов ввода-вывода или
универсальных асинхронных приемопередатчиков.
Многие программисты ошибочно считают, что как только
внутренние контрольные регулировки устройства будут установлены
(обычно в подпрограмме инициализации), то они так навсегда и
сохранят это состояние. Опыт показывает, что под действием помех
регистры команд могут изменять свое состояние даже притом, что они
не связаны напрямую с внешней шиной. Это может иметь
последствия, которые не очевидны для микропроцессора: например, если
выход перепрограммируется как ввод, микропроцессор спокойно
продолжит записывать данные, не имея понятия о своей ошибке.
Самое безопасное решение состоит в том, чтобы периодически ре-
инициализировать все критические регистры, возможно в главной
подпрограмме, во время перерывов в ее работе, если они
существуют. Таймеры, конечно, не могут быть защищены таким образом.
Период между поочередными реинициализациями зависит от того,
как долго программное обеспечение может допустить
существование регистра с испорченным состоянием, с учетом программных
накладных расходов, связанных с реинициализацией
7.2.5 Помехоустойчивость аналоговых цепей к
переходным процессам и радиочастотным помехам
Аналоговые цепи в целом не так восприимчивы к переходным
процессам, как цифровые, но они могут быть более восприимчивы к
демодулированной радиочастотной энергии. Это можно представить
как неравномерное смещение постоянного тока, которое
проявляется в измерениях нелинейностей или как детектирование
модуляции, которые есть важнейшие явления в радио- и видеоцепях.
Так, смещение не действует на работу цифровых систем до тех пор,
пока это смещение не будет достаточно для изменения логического
уровня. Улучшение помехоустойчивости требует внимания к пяти
сферам, как показано ниже. Значительный уровень
радиочастотного сигнала является причиной связи через внешний кабель
интерфейса, и цепи интерфейса должны быть первыми в ослаблении этого
сигнала.
402 Проектирование цифровых и аналоговых цепей
Принципы помехоустойчивости аналоговых цепей:
• минимизация полосы пропускания;
• максимизация уровня полезного сигнала;
• обеспечение хороших границ стабильной работы;
• использование симметричной схемы передачи сигналов;
• изоляция особенно чувствительных частей схемы.
7.2.5.1 Детектирование аудиосигнала
Этот термин часто используется достаточно небрежно для описа
ния процесса детектирования радиочастотного сигнала посредством
низкочастотных цепей. Эта процедура ответственна за большинстве
болезненных эффектов в восприимчивости к радиочастотам, как i
аналоговой, так и цифровой технике.
Когда цепь передает радиочастотный сигнал, который лежит вн<
ее полосы пропускания, отклик цепи может быть либо линейный
либо нелинейный (рис. 7.33). Если уровень сигнала меньше опреде
ленной границы, при которой преобразования остаются линей
Радиочастотный
вход
Т
Тжнеиныи
нелинейный
нет постоянной
составляющей
постоянная составляющая
1
Рис. 7.33Демодулирование радиопомех в нелинейных цепях
ными, то выходной сигнал будет без каких либо искажений. Если
уровень сигнала будет таков, что возникают нелинейные явления,
тогда огибающая сигнала (возможно, со значительными
искажениями) будет поступать на выход цепи. В этой точке уже невозможно
отделить желаемый сигнал от сигнала, подверженного воздействию
нелинейных искажений. Отклик цепи зависит от ее динамического
диапазона, при котором сохраняется линейность преобразований, и
от уровня сигнала. При всех прочих равных условиях цепь, которая
имеет больший динамический диапазон, будет более устойчива к
воздействию радиопомех.
ЭМС для разработчиков продукции
403
7.2.5.2 Полоса пропускания, уровень и баланс
Уровень мешающего сигнала может быть уменьшен сужением
полосы частот до минимально возможной. Это может быть достигнуто
(см. рис. 7.34) за счет входных RC или LC фильтров (1), фильтров RC
(2) обратной связи и применением конденсаторов (3) малой емкости
(10 — 33 пФ) или резисторов (4), подключенных нрпогррдотвечно к
входу. Фильтр RC может снизить стабильность или ухудшить
свойства по режекции помех общего вида (CMR) и значение С должно
2
Рис. 7.34 Ограничение полосы частот в дифференциальном усилителе
быть настолько малым, насколько это возможно. Улучшение
режекции на радиочастотах на 10...35 дБ в диапазоне 0Д5...150 МГц, как
отмечается в [124], достигается включением конденсатора обратной
связи емкостью 27 пФ или инвертирующего операционного
усилителя. Подавление синфазной составляющей определяется
дисбалансом между емкостями на симметричных входах. Если увеличить
входное сопротивление, то это может привести к изменению свойств
системы по передаче постоянного тока, альтернативой является
применение ферритового согласующего трансформатора или ферри-
товой втулки, устанавливаемых последовательно.
Установка последовательных резисторов низкого номинала на
входах операционных усилителей и компараторов весьма полезный
прием — их высокое входное сопротивление позволяет выбрать
сопротивление последовательных резисторов в несколько сотен Ом
при установке на каждый вход. Совместно с входной емкостью это
приводит к ослаблению индуцированных радиочастотных
напряжений, которые могут быть наведены во входном тракте.
Применение резисторов в виде чипов для поверхностного монтажа является
широко применяемой техникой для всех аналоговых цепей.
404 Проектирование цифровых и аналоговых цепей
Уровень сигнала должен быть предусмотрен максимально воз
можный, который соответствует данной цепи, но одновременнс
полные сопротивления должны быть настолько малы, насколькс
возможна минимальная емкостная связь и конфликты, которые от
вызывает. Решения должны зависеть от того, будет ли индуктивная
связь, как главный фактор помех. Если это имеет место (потому чтс
площадь контура тока не может быть выполнена малой), тогда вы
сокое полное сопротивление будет обеспечивать малый наведенные
уровень помех. Более детально индуктивная и емкостная связи рас
смотрены в п. 5.1.1.
Симметричная конфигурация цепи позволяет обеспечить макси
мальное преимущество для подавления синфазной составляющей
при использовании операционных усилителей. Следует отметить,
что подавление синфазной составляющей слабо проявляется на
высоких частотах и определяется емкостным дисбалансом так, чтс
неразумно делать хорошо сбалансированные цепи для хорошей
помехоустойчивости для радиочастот и переходных процессов. Также
может быть показано [131], что в диапазоне частот от 1 до 20 МГп
значение демодулированных радиочастотных помех на 10 — 20 дБ
ниже для BiFET—операционных усилителей, чем для биполярных
усилителей. Это может иметь место из-за нелинейности входных
каскадов присущей усилителям на биполярных транзисторах.
Общий прием для улучшения помехоустойчивости дискретных
транзисторных цепей состоит во включении либо резистора, либо
ферритовой втулки последовательно в цепь базы и конденсатора
малой емкости непосредственно в цепь база-эмиттер (рис. 7.35).
Последовательная
ферритовая втулка
Рис. 7.35 Улучшение помехоустойчивости транзисторной цепи
7.2.5.3 Устойчивость
Операционные усилители с шириной полосы пропускания до
сотен МГц и даже ГГц используются во многих изделиях.
Устойчивость широкополосных усилителей была кратко исследована в
разделе 7.1.4.1 в контексте помехоэмиссии, но квазиустойчивый
(условно устойчивый) усилитель — также угроза помехозащите.
ЭМС для разработчиков продукции 405
Если схема близка к потере устойчивости, но фактически стабильна
на конкретной радиочастоте, это эквивалентно наличию пика в ее
частотной характеристике на этой частоте (рис. 7.36). Если
радиочастотная помеха совпадает с этим пиком, усилитель реагирует на
нее. По всей вероятности, вплоть до насыщения и подавления
полезного сигнала. Это обычная ситуация, особенно при испытаниях
на кондуктивные помехи в диапазоне 5 — 30 МГц, там, где пики в
чувствительности нельзя объяснять обычными структурными резо-
нансами верхних частот.
Не
желательный квази-
ш "
Срез частотной
характеристики
стабильный
пик
Рис. 7.36 Квазистабильный усилитель
Кроме неадекватного проектирования контура обратной связи,
нестабильность усилителя — обычно результат плохой топологии
схемы или неполной развязки питания. Вы должны обратить
особенное внимание на эти аспекты при разработке широкополосных
приборов. Проблемы устойчивости можно диагностировать без
привлечения аппаратуры проведения испытаний помехозащиты на
радиочастотах, просто подачей прямоугольного импульса с быстро
нарастающим фронтом на схему, и проверкой сигнала на выходе.
7.2.5.4 Развязка
Сигналы могут быть развязаны между входом и выхода за счет
применения оптической связи или трансформатора (рис. 7.37).
Особое внимание в этом случае уделяется передаче данных по
оптическим линиям, которые с падением стоимости оптических
компонентов становятся все более применимы для широкого
спектра приложения. Предполагая, что основной путь проникновения
электромагнитных помех проходит через соединительные кабели,
применение оптических кабелей позволяет избежать его. Это
устраняет только главную составляющую связи, но остается связь через
кабели питания, которые также вносят вклад в электромагнитное
воздействие. Кроме этого, техника обработки сигналов должна быть
также направлена на повышение точности обработки информации
для прецизионных сигналов постоянного и переменного тока. Это
увеличивает стоимость устройства.
406
Проектирование цифровых и аналоговых цепе
Оптическая связь
Трансформатор
эорматор
Рис. 7.37Развязка сигналов
Емкостная связь
Развязка разрывает электрическое соединение по шине заземл»
ния и поэтому устраняет инжекцию помех общего вида, поскольк
позволяет существовать различным потенциалам для постоянног
тока или низкочастотного переменного тока. Однако существуе
остаточная емкостная связь между первичной и вторичной цеп*
ми, которая будет существовать совместно с развязкой на высоки
частотах или при высоком значение dv/dt общей моды. Эта емкост
для оптоустройства составляет типично 2 — 3 пФ; при использова
нии нескольких каналов развязки общая емкость связи (от одно!
земли до другой) достигает нескольких десятков пФ. При этом им
педанс общего вида составляет несколько десятков Ом на частот!
100 МГц, что не является заметным барьером!
Трансформаторы с электростатическим экранированием и опти
ческие развязки применяются там, где необходимо снизить с^вяз!
сигнала общего вида с приемной цепью и поэтому улучшить помехо
устойчивость к импульсным процессам этой (локальной) цепи. Этс
улучшение направлено на снижение емкости через барьер развязкг
и поэтому обеспечивает уменьшение импеданса пути
проникновения переходных процессов или радиочастотных помех.
Распространенным решением этой проблемы является применение двух после
довательных неэкранированных трансформаторов с промежуточной
незаземленной цепью связи.
ЭМС для разработчиков продукции 407
Важной проблемой при оптической развязке, не существующей
при использовании трансформаторов, является возможность
насыщения принимающего фототранзистора при наличии на его базе
переходного процесса высокого уровня, но малой длительности. Это
приводит к запиранию связи на интервал времени, необходимый
для выхода из насыщения, который может составлять несколько
мкс. При этом общим эффектом воздействия на цепь может быть
растягивание длительности переходного процесса до неприемлемых
значений. Эти эффекты могут встречаться и при радиочастотном
воздействии и вызываются емкостной связью непосредственно на
базу (рис. 7.38), особенно когда имеется несколько различных
выходов. Ситуация облегчается при использовании фотодиодов и может
быть смягчена при использовании фототранзистора, соединяющего
его базу и эмиттер с резистором малого номинала, для расширения
чувствительности.
Емкость между первичной и вторичной
— схемой
Рис. 7.38 Емкостная связь при оптической развязке
Предпочтительным является использование каналов с
последовательной передачей данных, по сравнению с параллельной передачей
данных. Развязка успешно может быть применена для устранения
связи между близко расположенными цепями. Рис. 5.4 поясняет эту
идею, показывая степень взаимной связи как функцию расстояния
между проводниками.
Глава 8
Интерфейсы, фильтрация и экранирование
На рис. 6.1 принципы управления ЭМС разделены на три класса. Эт*
часть посвящена рассмотрению второго (интерфейсы и фильтрация
и третьего (экранирование) классов.
8.1 Кабели и соединители
Наиболее важными источниками излучений от системы ил*
объектами, обеспечивающими связь с ней, являются внешние ка
бели. Из-за своей длины они более эффективно взаимодействуют с
внешней электромагнитной обстановкой, чем корпус аппаратуры
печатная плата или другие элементы конструкции. Кабели и соеди
нители, которыми они подключаются к аппаратуре, должны проек
тироваться особенно тщательно. При этом основной целью должнс
являться предотвращение излучения в дифференциальном режиме
от кабеля, с одной стороны, а с другой стороны, чтобы токи общего
вида кабеля, наведенные от внешних полей, не были связаны с
сигнальной цепью и не воздействовали на эту цепь.
Во многих случаях необходимо использовать экранированные
кабели. Обычно исключением являются силовые кабели
(подводящие питание к фильтру источника питания) и низкочастотные
кабели интерфейса, которые могут за счет собственных параметров
обеспечить помехоустойчивость к переходным процессам и
радиочастотам. Интерфейс без фильтров и без экранов создает путь для
внешней помехоэмиссии и для нежелательной связи. Отметим, что
разделка кабеля в соединителе является критической операцией,
определяющей свойство экрана кабеля.
8.1.1 Пространственное разделение кабелей и
возвратные цепи
Для того чтобы минимизировать перекрестные помехи внутри
кабеля, сигналы, которые передаются по нему, должны быть
приблизительно равны (разница между ними, например, 10 дБ), как по
току, так и по напряжению. Это приводит к классификации
кабелей, показанной на рис. 8.1. Кабели, несущие высокочастотные токи
помех, должны быть удалены от других кабелей, даже внутри
экранированных корпусов, поскольку возмущения могут быть причиной
ЭМС для разработчиков продукции 409
возникновения помехоэмиссии общего вида. На рис. 5.4 показана
зависимость взаимной емкости и индуктивности от расстояния между
кабелями. Точка, при которой «низкая частота» становится
«высокой частотой», определяется значениями емкости кабеля и полным
сопротивлением цепи, и может быть как ниже, так и выше кГц.
1. Шумящий: для питание переменным током и возвратный, заземление
шасси, моторы, сварка, мощные радиочастотные и широкополосные сигналы;
/ 2. Малошумящий: для питание постоянным током и возвратный, нагрузки
ограничителей коммутационных процессов, фильтрация переменного тока;
3. Слабочувствительный: сигналы малой мощности низкой частоты,
цифровые сигналы с низкой скоростью передачи данных;
4. Чувствительный: широкополосные цифровые сигналы, аналоговые
сигналы низкого уровня, входы радиочастотных приемников.
Рис. 8.1 Классификация кабелей
В стандарте МЭК 61000-5-2 [149] для монтажа кабелей и
заземления в зданиях рекомендуется, чтобы кабели пространственно
разделялись согласно типам сигналов, которые они несут. Кабель должен
быть расположен на расстоянии 0,15 м от другого, если он содержит
металлический проводник, который используется как
параллельный проводник заземления (РЕС) и на расстоянии в 10 раз больше
диаметра самого толстого кабеля, если он не является РЕС.
Опираясь на рекомендуемые требования по расположению
различных классов кабелей, можно надеяться на то, что хорошие
результаты будут достигнуты без изменения маршрутов укладки
кабелей и их комбинации, т.е. главные требования ЭМС будут
учтены. Существует достаточно много ситуаций, когда инсталляция
оборудования выполняется неквалифицированным и необученным
техническим персоналом, который игнорирует важные требования
спецификаций, и отличной продукцией можно считать ту, которая
сохранит работоспособность в этих неблагоприятных
обстоятельствах.
8.1.1.1 Возвратные токи
Все возвратные токи должны быть непосредственно связаны со
своими сигнальными линиями или шинами питания, желательно
путем свивки, что позволяет снизить связь между цепями за счет
магнитного поля. Возвратные токи не должны быть общими для
цепей питания и сигнальных линий, и по возможности их не должно
410
Интерфейсы, фильтрация и экранирован!
быть между отдельными сигнальными линиями, поскольку это щ.
водит к общему сопротивлению связи.
Не очевидно, что возвратный ток будет протекать в проводит
который расположен рядом с сигнальным проводом, когда сущеет]
ет некоторый альтернативный путь для возвратного тока, котор!
может быть принят во внимание. Для постоянного тока возврата]
ток действительно определяется только значением сопротивлен
проводника. Но при увеличении частоты взаимная индуктивное
связанной пары (витой, коаксиальной или подобной конструкщ
уменьшается и протекание возвратного тока по локальному пу
становится предпочтительным по сравнению с другими путя!У
потому что замкнутая область контура существенно меньше им*
но для этого пути (рис. 8.2). Это является основной причиной,
которой для передачи данных используется кабель на основе вит
пары.
■* ^ Взаимная связь К = 0,95
•« &— для витой пары
Если А = -А. тогда LM =» L (1 - К)
Возвратный ток Атн Bnf протекающий через обратный провод витой пары, и этот путь
является более предпочтительным, чем через заземление, потому что он обладает меньшей
индуктивностью L^
Рис. 8.2 Пути возвратных токов
Этот эффект также может быть отнесен к коаксиальному кабел
с магнитным экранированием, и это объясняет, почему ток в плаг
заземления занимает область, близкую к сигнальному проводник
(сравни материалы п. 6.2.2).
8.1.2 Экранирование кабеля на низких частотах
Оптимальное экранирование требует различных режимов с<
единения для возмущений, воздействующих на низких частота
(аудио-, в диапазоне нескольких сотен кГц) и радиочастотах. Эт
два режима могут быть взаимоисключающими — хорошим прим<
ром является часто встречающееся требование заземления экра*
ЭМС для разработчиков продукции
411
только с одного конца, которое может быть корректно для низких
частот, но определенно некорректно для высоких частот. Теперь,
когда имеются требования Директивы ЭМС к параметрам
радиочастотной помехоэмиссии и помехоустойчивости, эта рекомендация
является особенно важной. Если заземление экрана на обоих концах
создает проблемы, тогда наиболее вероятно существуют
недоработки в системе заземления. Для того чтобы увидеть, почему это
происходит, рассмотрим цепь, представленную на рис. 8.3.
а) хорошее емкостное экранирование, но отсутствует
магнитное экранирование;
отсутствие экрана '
Ь) хорошее магнитное экранирование;
эффективность экранирования |
Fc = 2л ■ Rs/Ls
Рис. 8.3 Параметры эффективности магнитного экранирования по отношению к
заземлению экрана
8.1.2.1 Ток экрана и магнитное экранирование
Рассмотренный экран, заземленный только с одного конца,
обеспечивает хорошее экранирование при емкостной связи (рис. 8.3,а),
но не защищает от воздействия магнитных полей, которые наводят
напряжения помех в контуре, сформированном при заземленных
источнике сигнала и нагрузки. (Предупреждение: когда источник
или нагрузка не заземлены, применяются другие принципы.) Для
того чтобы экранировать магнитные поля, должны быть заземлены
оба конца экрана. Это позволяет индуцированному току (1а на рис.
8.3,Ь) протекать в экране и компенсировать ток, наведенный в
центральном проводнике. Действие этого тока начинает проявляться
только выше частот среза кабеля Fc, которые являются функцией
индуктивности и сопротивления экрана, и находятся в диапазоне 1
— 2 кГц для экранов в виде оплетки или — 7 — 10 кГц для экранов
в виде алюминиевой фольги. При значениях, в 5 раз превышающих
частоту среза, индуцированный ток в центральном проводнике не
изменяется с частотой (рис. 8.8,с).
412
Интерфейсы, фильтрация и экранировании
Подобный принцип применим, когда экран проводника предн*
значен для защиты от магнитных эмиссионных полей. Ток возврат
должен протекать через экран, и это будет действительно (для ц<
пей, которые заземлены с обоих концов) для частот, расположенны
выше частот среза экрана.
8.1.2.2 Где заземлять экран кабеля
Существуют две проблемы при заземлении кабеля с двух концо
Одна связана с проводимостью цепи, и любые падения напряжени
вдоль экранного сопротивления будут включены последователь!
с сигналом. Когда же цепь заземлена с обоих концов, возможь
только ограниченное значение магнитного экранирования, потом
что большой ток помех индуцируется в контуре «экран-земля». Ок
зависит от напряжения помех вдоль экрана. Для минимизации ни.
кочастотного магнитного поля один конец цепи должен быть изолт
рован от земли, площадь петли тока должна быть мала и экран ь
должен формировать часть этой цепи. Это достигается использов.
нием экранированной витой пары с экраном, заземленным тольк
на одном конце. Экран способствует снижению емкостной связи, пс
скольку собственно витая пара минимизирует магнитную связь.
Для цепи с незаземленным источником экран должен быть зазем
лен на общую точку на входе, тогда как при плавающем входе и зе
П редпочтительно:
экран заземляется
только на входе, если
вход заземлен
Паразитная емкость между экраном и внутренним
проводником - относительное разделение на высоких
частотах
Предпочтительно:
экран заземляется
только со сторон»
источника, если
источник заземлен
Ухудшение
характеристики: экран
заземляется с обоих
концов, если источник
и вход заземлены
Рис. 8.4 Способы заземления экрана при различных конфигурациях цепей
ЭМС для разработчиков продукции 413
земленном источнике экран должен быть заземлен на общую точку
источника. Эти условия (рис. 8.4) минимизируют шумы, вызванные
емкостной связью, от экрана к внутреннему проводнику, поскольку
они создают минимальную разность напряжения между ними.
Отметим, что при увеличении частоты паразитная емкость незазем-
ленного конца снижает эффективность отмеченных рекомендаций,
поскольку появляется нежелательное заземление, через которое
протекает ток экрана.
Вторая проблема проявляется, если возникает заметная
разница напряжений между землей и двумя концами экрана, из-за чего
будет поддерживать некоторый результирующий ток в экране. Он
будет ограничен только полными сопротивлениями экрана и
источника разности потенциалов; оба эти значения могут быть очень
малы, и протекающий ток может быть достаточен для того, чтобы
привести к нарушению работоспособности. Такая разность
потенциалов не редка для больших объектов и между зданиями. Это частая
причина заклинаний инженеров по инсталляциям, объясняющая,
почему не надо соединять экран с обоих концов.
Предпочтительным решением в этом случае является установка
проводника заземления параллельно проводу защитного
заземлению (как обсуждается в [24], [149]) вдоль инсталлированного кабеля
так, что он принимает на себя основную долю тока заземления,
который может протекать в системе. Это решение исторически встречало
сопротивление со стороны инженеров по инсталляции из-за своей
стоимости, но, если фактически проводник РЕС представляет собой
закрытый металлический кабель или кабелепровод,
действительная стоимость может быть значительно меньшей, чем кажется. Это
позволяет экрану кабеля быть подключенным или нет к обоим
концам в зависимости от того, как диктуют условия ЭМС.
8.1.3. Экранирование кабелей на радиочастотах
Как только длина кабеля становится соизмеримой с четвертью
длины волны на частоте, которая представляет интерес1, возникает
ток экрана, вызванный внешним электромагнитными помехами.
Открытая цепь на одном конце кабеля преобразуется в коротко-
замкнутую цепь для четверти волны, и протекающий в экране ток
имеет режим стоящих волн, которого нет во внешних соединениях
(рис. 8.5). Амплитуда тока определяется волновым сопротивлением
линии, сформированной кабелем, и возвратным током по земле (это
' Следует иметь в виду, что -частота, представляющая интерес» в настоящее время
простирается до частот ■ 1 ГГЦ для анализа помехоустойчивости; практически все
кабели будут длины—, чшм v» длины волны, согласно п. 8 1.2
414
Интерфейсы, фильтрация и экранирование
обсуждается в п. 5.3.1.1). Паразитная емкость позволяет протекать
току экрана даже на частотах ниже резонансных.
экран
центральный
проводник
ослабление L — 8,7 дБ на каждое
значение толщины скин-слоя:
8 = 2,6 (|ira 1=) -°-5 дюймов (0,0008
дюймов для меди на 10 МГц)
сигнальный и возвратный ток
Рис. 8.5 Экранирование кабеля на радиочастотах
Разделение внутреннего и внешнего токов экрана
На высоких частотах внутренний и внешний слой экрана
разделены скин-слоем, определяемым оттеснением тока к поверхности
проводника. Сигнальный ток на внутренней стороне экрана не связан с
помеховым током на внешней стороне. Многоточечные заземления
экрана или заземления на обоих концах не вводят напряжения
помех на внутреннюю сторону, и поведение экрана становится таким
же, как на низких частотах. Этот эффект является приемлемым
для плетеного экрана из-за его не идеального оптического покрытия
— это проявляется в наличии малых ячеек между нитями
переплетения — и поэтому нити переплетаются от внутренней стороны к
внешней и наоборот. Это также наиболее серьезная задача при рбе-
спечении качества заземления экрана, как обсуждается в п. 8.1.5.
8.1.4 Типы экранов кабелей
Характеристики экранов кабелей зависят от их конструкции. На
рис. 8.6 показаны наиболее общие типы экранов, применяемых в
коммерческих целях, приемлемой стоимости; для более
ответственных приложениях конструируются специальные экраны так, чтобы
получить оптимальные многослойные переплетения, которые обе-
ЭМС для разработчиков продукции
415
спечивают наиболее высокое качество функционирования.
Конечно, можно применить неэкранированный кабель, расположенный
в экранированном кабелепроводе, в отличие от плетеного экрана
или экрана в виде обмотки из соответствующего материала. Этот
вариант наиболее часто используется системными инженерами или
инженерами по инсталляции.
Провода, свитые
внахлест
Металлизированная лента или
фольга
Комплексный:
__ лента и оплетка
Рис. 8.6 Наиболее типичные типы экранов
На рис. 8.6 представлены следующие типы экранов:
• Экран, выполненный из проводов, обвитых внахлест. Он
отличается большой гибкостью, но имеет малую эффективность
экранирования и неопределенную индуктивность на высоких
частотах; рекомендуется для диапазона звуковых частот.
• Экран в виде однослойной оплетки содержит переплетенные
провода и представляет собой металлический чулок,
покрывающий кабель; обеспечивает покрытие на 80 — 95% и
рекомендуется для применения на высоких частотах. Оплетка
увеличивает вес кабеля и требует деликатности при монтаже.
• Металлизированная лента или фольга с дренажным проводом
обеспечивают полное покрытие, но обладает явно выраженным
высоким сопротивлением и поэтому умеренной
эффективностью экранирования. Малый вес, гибкость, малый диаметр,
низкая стоимость являются характерными свойствами этого
экрана. Заделка этого типа экрана представляет трудности;
ток экрана будет стремиться протекать в основном по
дренажному проводу, делая экран не пригодным для экранирования
магнитных полей, хотя его экранирующее свойство для
электрического поля высоки.
• Комбинированный экран из ленты и оплетки содержит
металлизированную ленту и одиночную оплетку, что приводит
к достиж§нию оптимальных свойств на высоких частотах.
416
Интерфейсы, фильтрация и экранирование
Многослойная экранирующая оплетка улучшает характери
стики одиночной оплетки, поскольку позволяет отдалить дру
от друга внутренние и внешние токи и позволяет применят
экран для различных (низко- и высокочастотных) целей.
8.1.4.1 Полное поверхностное сопротивление
Экранирующее свойство экранированного кабеля лучше всег
выражать в терминах поверхностного импеданса (STI). Этот пар*
метр определяется как ZT и измеряется напряжением, наведенны
на внутреннем проводнике кабеля под влиянием тока, протекак
щего по внутренней стороне внешнего проводника, который буде
изменяться с частотой. Его измеряют в миллиомах на метр длинь
(Этот параметр был введен в п. 6.1.2.2 для описания свойств сист*
мы заземления.) Идеальный экран не должен позволять наводитьс
напряжению на внутреннем проводнике, и поэтому значение S1
будет равно 0, но на практике некоторая энергия проникает к вн:
треннему проводнику через полное сопротивление экрана. На ни;
ких частотах оно равно сопротивлению экрана на постоянном ток«
10К
ЮМ Freq
100К 1М
■ Алюминиевая фольга * Одиночная оплетка • %№^№?о7ЖГ
Ш Двойная оплетка с разделителем ♦ Двойная оплетка, находящаяся в контакте
Источник: BICC Cables 1„
dVT/dx Ом/м
___
ZoO
Рис. 8.7 Поверхностное передаточное полное сопротивление (STI) различных тило!
кабеля
ЭМС для разработчиков продукции
417
На рис. 8.7 приводятся значения STI в зависимости от частоты для
различных типов конструкций экранов кабелей. Уменьшение STI
с частотой для экранов лучшего качества определяется влиянием
скин-эффекта, разделяющего сигнальный ток на внутренней
стороне экрана от тока шумов на внешней стороне. Последующее
увеличение происходит из-за искажения поля, вызванного отверстиями
и ячейками оплетки. Из-за наличия частотных резонансов в кабеле
параметр STI становится непригодным для реальной ситуации. Это
объясняется тем, что условия постоянства тока /s экрана на единицу
длины не может быть в общем случае соблюдено, потому что имеет
место режим стоячих волн. Только когда кабель и его внешний
заземленный возвратный провод будут представлять линию передачи
с известными характеристиками полного сопротивления и эта
линия будет правильно согласована на каждом конце, только тогда
ток радиочастоты будет постоянен по длине кабеля. Следует быть
уверенным, что эти условия соблюдаются, когда производятся
измерения ZT.
Нет соединения - плохо
>
Соединение "косичкой" - недоааточно хорошо
"Косичка"
Проводящая скоба, установленная
поверх экрана
Экранирующий кожух
соединителя - хорошо
Соединение экрана
с помошыр /ifflgCTKOft
вариант
Элементы кожуха
Кожух соединителя,
соединенный с корпусом
Контакт между
сопряженными
деталями
соединителя
4 Контакт соединителя
с корпусом
Экран
кабеля
Вид с противоположной
стороны
Контактные лепестки
Рис. 8.8 Способы соединения экранов кабелей на радиочастотах
14 .Ч«к«яМ 11187
418 Интерфейсы, фильтрация и экранировани
Отметим, что дешевые типы кабелей имеют худшее STI с ув<
личением частоты и что экран из металлизированной фольги npi
близительно на 20 дБ хуже, чем одиночная оплетка, из-за того, чч
он имеет высокое сопротивление и искажает поле внедренным др
нажным проводом, который несет основную часть продольного то*
экрана.
8.1.5. Экранированные кабельные соединители
8.1.5.1 Как заземлить экран кабеля
Важнейшим требованием при заделке экрана кабеля являете
обеспечение минимально возможного полного сопротивления п|
непосредственном подсоединении экрана к металлическому шас(
или корпусу. Это гарантирует, что токи помех на экране будут пр
текать к земле без прохождения через другие цепи или без связи
ними. Наилучшие условия для этого создаются, когда экран охв
тывает соединитель на 360° (рис. 8.8). В случае жесткого соединен!
это достигается использованием проводящих прокладок или ско
которые закрепляют экран кабеля. Соединитель будет всегда име1
некоторое промежуточное качество соединения «экран-шасси», i
подобный вариант значительно лучше, чем другие.
Типы соединителей
Соединители для военных приложений проектируются с учете
условий эксплуатации и выполнены как стандартный ряд коа
спальных радиочастотных соединителей, таких типов, как N ил
BNC. Из широко применяемых коммерческих соединителей дх
различных приложений следует использовать только такие, у к<
торых предусмотрен контакт с экраном на 360°. Примером являете
субминиатюрный ряд соединителей серии D с углубленным обра?
лением, покрытым оловом. Производители соединителей в настою
щее время улучшают конструкции введением проводящих оболоче
для других типов соединителей. ^
Значимость кожуха соединителя
Экран кабеля должен иметь контакт в 360° с экранированный
проводящим кожухом, который должен быть непосредственно с(
единен с корпусом соединителя. Этот вариант лучше, чем выполне!
ный с помощью лепестков, хотя и этот хорошо исполненный вариав
является приемлемой альтернативой. Плавающий кабельный з>
жим или кожух соединителя, который не подсоединен к корпус
ЭМС для разработчиков продукции
419
соединителя, не приемлем. Кожух соединителя может быть
выполнен из пластика, имеющего проводящее покрытие, что
предпочтительнее, чем металлический кожух. При этом его характеристики
только незначительно ухудшаются, потому что при охвате на 360°
и при работе на высоких частотах ток протекает в поверхностном
скин-слое, что позволяет использовать тонкое проводящее
покрытие поверхностей. С другой стороны, кожух соединителя не играет
основной роли в экранировании электрического поля;
использование металлического или покрытого проводящим слоем кожуха без
надежного соединения делает его бесполезным.
8.1.5.2 Эффект «косички»
Соединение «косичкой» — это способ, когда экран отделяется
от оплетки и формируется в виде некоторого проводника, который
через контакт заземления подсоединяется к системе заземления.
Поскольку это весьма простой способ монтажа, он часто
используется для подсоединения экранов кабелей цифровой передачи данных.
Тем не менее этот способ может рассматриваться как плохой и не
обеспечивающий должного качества соединения на высоких
частотах из-за индуктивности «косички» [82], [104]. Это может быть по-
Длина "косички"
Соединитель
одна "косичка" 15 мм_ pi
две "косички" 15 мм
зажим
Нет разности напряжений общего
вида на интерфейсе
100k Ш 10М Частота, Гц
Разность напряжения общего вида равна Lpdls/dt
Баз "косички"
Рис. 8.9 «Косичка»
14*
С"косичкой"
420 Интерфейсы, фильтрация и экранирование
казано путем включения последовательно с экраном индуктивност
в несколько десятков нГн (рис. 8.9), которая создает напряжение о(
щего вида на экране кабеля, как результат протекания тока экран*
Эквивалентное полное поверхностное передаточное сопротиз
ление подобного соединения быстро возрастает при увеличени
частоты до тех пор, пока доминантную роль играет индуктивност
«косички» и это снижает эффективность экранирования кабеля i
высоких частотах. Высокочастотные резонансы с распределенные
емкостями интерфейса ограничивают полное сопротивление, но о*
делают непредсказуемым поведение экрана, которое становитс
зависимым от конструкции и взаимного перемещения элементо
Если все-таки соединение «косичкой» применяется, оно долж!
быть выполнено настолько коротким, насколько это возможно,
также должно быть продублировано симметричным расположение
«косички» так, чтобы ее индуктивность поделилась пополам.
Эффективна длина
Отметим, что эффективная длина «косички» отсчитывает •
конца экрана кабеля через соединитель и до точки, где происход]
подсоединение кабеля к заземлению или шасси. Общая практш
монтажа экранированных соединителей на печатных платах с экр
нирующими кожухами определяет длину заземления через длш
трассы, которая может проходить по всей длине платы, эквивален
но введению «косички» на противоположной стороне соединител
Экранированные соединители всегда должны монтироваться таки
образом, чтобы их корпуса непосредственно присоединялись к ша
си. Некоторым компромиссом является установка корпуса на те
называемую «плавающую землю» (цепь под напряжением, не ра
ным 0 В) на печатной плате, которая играет роль шасси (см. разде
6.2.3).
8.1.5.3 Соединение экранированных кабелей без соединип
лей
Построение систем часто требует монтажа значительного 4hcj
кабелей к шкафам и блокам. Бели входящие кабели экранирован!
эти экраны должны быть подсоединены к рамам шкафов, и традз
ционно это делают при помощи «косичек», приворачивая их к рам
возможно на некотором расстоянии от конца экрана. Для качестве]
ного радиочастотного экранирования это неприемлемо. Простой
дешевый метод заключается в установке кабеля под металлически
зажимом, который приворачивается непосредственно к раме и пло
ЭМС для разработчиков продукции 421
но огибает экран кабеля, что обеспечивает непосредственное
низкоиндуктивное соединение. Лучший вариант (но более дорогой и менее
практичный) заключается в установке металлического обода, через
который проходит кабель при его монтаже в шкафу.
8.1.6 Неэкранированные кабели
Не всегда имеется возможность применить экранированный
кабель для решения проблем ЭМС. Различные типы неэкранирован-
ных кабелей во многих случаях имеют преимущества стоимости и
в удобстве монтажа из-за отсутствия необходимости разделки
экранов. В тех случаях, когда кабели несут сигнальные токи, которые
не восприимчивы к внешним воздействиям или не представляют
угрозы при излучении, а также когда помеховая обстановка может
управляться какими-либо средствами, например фильтрацией,
применение неэкранированных кабелей может быть вполне
приемлемо.
8.1.6.1 Витая пара
Витая пара особенно эффективна для снижения как магнитных,
так и емкостных связей для внешних возмущений. Свивка проводов
способствует более однородному распределению емкостей. Емкость
относительно земли и относительно внешнего источника в ней
сбалансированы. Поэтому емкостная связь общего вида также
сбалансирована, что снижает помехи в этом режиме.
Свивка значительно уменьшает низкочастотное магнитное
воздействие на кабель, поскольку площадь петли, чувствительной к
магнитному полю, стремится к нулю. На каждом витке скрутки
изменяется направление индуцированных токов, которые возникают
от однородного внешнего поля так, что в двух витках, суммарный
наведенный ток стремится к нулю. Поэтому эффективная площадь
петли снижается до площади одной петли при их нечетном
количестве. Кроме этого следует учесть некоторое суммарное воздействие,
вызванное неоднородностью внешнего поля и его нерегулярностью
вдоль линии. Если область заделки кабеля попадает под воздействие
поля, то число витков на единицу длины не играет существенной
роли [44],[51]. Важно, чтобы участок без свивки должен быть
минимальным по длине. Если поле формируется вдоль кабеля, то его
характеристики будут улучшены, если число витков на единицу
длины будет возрастать.
Перекрестные помехи или внешние воздействия на неэкрани-
рованный кабель, будет ли это витая пара или нет, имеют как ем-
422
Интерфейсы, фильтрация и экраниров.
костную, так и индуктивную компоненту. Эквивалентная с
(рис. 8.10) показывает емкостную связь как источник тока j
внешнего источника, которая приложена к каждой половине
ки проводника, и индуктивную связь, представленную в виде и
ника напряжения Vc, который включен последовательно к ка»
проводнику.
Рис. 8.10 Эквивалентная схема, поясняющая механизм связи для витой napt
Эффективность витой пары зависит от полного сопротивле
вида включения — балансное или небалансное. Для небала]
цепей доминирующей является емкостная связь при высоко1
новом сопротивлении; при этом небольшое снижение уровня
обеспечивается за счет свивки. Балансное включение улу»
параметры емкостной связи, поскольку суммарные токи исто1
общего режима равны в обеих половинах дифференциальной
что позволяет устранить остаточную индуктивную связь. По
витая пара чувствительна к однородности свивок и поля, кс
пронизывает кабель, но безразлична, будет ли цепь подкл
балансно или нет.
8.1.6.2 Плоский кабель
Плоский кабель широко используется для передачи да
параллельным кодом внутри аппаратуры. Его применение а
ет массу и экономически выгодно. Он должен быть экрану
если несет высокочастотные сигналы или выходит за пр»
экранированного корпуса, но требования к подсоединению э
обычно не совместимы с применением экранированных соедр
лей. Плоский кабель может быть получен путем включения
состав плоского проводника заземления или экрана, полност
крывающего его. Однако конструкции с заземленной плоское
экранированным кабелем предполагают наличие нагрузки с н
индуктивностью, которую трудно достичь на практике; на*
типичная ситуация соответствует включению дренажного пр
что ухудшает качество кабеля, особенно на высоких частотах.
ЭМС для разработчиков продукции 423
Конфигурация заземления в плоском кабеле
Свойство плоского кабеля, несущего высокочастотные сигналы,
существенно зависит от конфигурации возвратного заземления.
Наиболее дешевой конфигурацией является использование одного
заземленного проводника для всего кабеля (рис. 8.11,а). Это создает
значительную площадь индуктивного контура для сигналов, про-
Пластина заземления
Экранированные на 360°
Применение неэкранированных проводов
Рис. 8.11 Конфигурации плоских кабелей
текающих по проводникам, расположенным на противоположных
концах кабеля, а также значительную связь между сигнальными
цепями за счет взаимных электрофизических параметров и за счет
полного сопротивления заземления. Подобная конструкция весьма
нежелательна, но, если имеется малое число проводников, тогда
возможно расположение проводника заземления в середине кабеля
или в месте наиболее излучающего проводника или наиболее
чувствительного.
Предпочтительной конфигурацией является выполнение
возвратного заземления для каждого сигнального провода (о). Это
обеспечивает такие же хорошие свойства заземления, как и при
использовании плоскости заземления, но, кроме этого, этот вариант
весьма прост в изготовлении. Перекрестные помехи и связь черев
полное сопротивление общего вида теоретически стремятся к нулю.
Недостатком этой конструкции является увеличение размеров и
стоимости кабеля, а также соединителя. Приемлемой
альтернативой может быть конструкция, показанная на рис. 8Д1,с, в которой
два сигнальных проводника чередуются с возвратным. В ней
используется на 50% больше проводников относительно варианта (Ь)
и обеспечивается малая площадь индуктивного контура, от которой
.ш висят возможные перекрестные помехи и связь через цепи
заземления. Оптимальная конфигурация (Ь) может быть дополнительно
424 Интерфейсы, фильтрация и экранирована
улучшена путем применения витой пары в составе конструкци
плоского кабеля.
8.1.6.3 Кабели, нагруженные на ферриты
Токи общего вида в экране кабеля являются результатом знач]
тельных внешних эмиссий. Распространенная техника снижен*
этих токов заключается в применении в кабеле ферритовых дросс
лей, работающих в общем режиме, установленных в месте выхо,г
кабеля из экранированного корпуса — см. 8.2.2.1. Такой flpoccej
значительно увеличивает высокочастотное полное сопротивлен!
кабеля по отношению к токам общего вида без воздействия на тоь
дифференциального режима.
Альтернативой к дискретному дросселю является покрытие к
беля на некотором отрезке гибким ферритовым материалом. Пр
имущество подобного решения заключается в снижении до миним
ма внешних компонентов и возможности появления стоячих во.
на высоких частотах, поскольку происходит поглощение энергии
счет абсорбции, а не за счет отражения. Это особенно важно для м
нимизации антенного эффекта кабеля, создающего поле излучен!
(3.1.5.3). Это также может быть применено для неэкранированнь
кабелей, таких как кабели питания. Такие кабели с ферритовыл
элементами, к сожалению, дороги, недоступны широкому кру
производителей и, подобно другим вариантам применения ферр
тов, эффективно работают только на очень высоких частотах. Э'
требует специальных применений в тех случаях, когда прогноз
руется соответствующее воздействие. Так, например, это решен]
может применяться, когда переходные процессы или электростат
ческий разряд распространяются вдоль кабеля и могут привести
нарушению работоспособности.
8.1.7 Структурированные кабельные системы: UTP прс
тив STP
Наиболее общий современный подход для аппаратуры переда^
данных заключается в применении структурированных кабельнь
систем, устанавливаемых внутри здания. Международные и евр
пейские требования к подобным системам опубликованы в ИС(
МЭК 11801 и 50173 [141]. Эти документы классифицируют кабел
согласно их свойствам, на категории 3, 5 или 6, с соответствующим
требованиями к их параметрам и конструкции. Наиболее важны*
спецификациями из рабочих характеристик являются требования
перекрестным помехам на ближнем конце, ослабление и полное с
ЭМС для разработчиков продукции 425
противление, которые заложены в стандартах. Неэкранированная
витая пара (UTP) является, в принципе, кабелем, который отвечает
этим требованиям, и в настоящее время большинство инсталляций
для коммерческих предложений выполняются подобными
кабелями, что позволяет создавать локальные сети для широкого
применения. Но они недостаточно отвечают требованиям ЭМС в том случае,
когда по кабелю передается широкополосный сигнал.
В настоящее время отсутствуют четкие рекомендации по
применению экранированных или неэкранированных кабелей передачи
данных. Экранированный кабель высокого качества обеспечивает
минимум связи с электромагнитной обстановкой, но он также
трудоемок в монтаже (см. раздел 8.1.5), и если экран должен быть
неразрывен по длине, то достаточно сложно осуществить подключение
кабеля на коммутационные панели. Если такая ситуация не
возникает, тогда качественный кабель UTP вполне пригоден для
применения. При этом коммутированная аппаратура должна обеспечить
хорошую режекцию тока общего вида.
В том случае если проектируется локальная вычислительная
сеть или интерфейс передачи телекоммуникационных данных,
необходимо принять решение о применяемом типе кабеля. Если
применяется экранированный кабель, тогда должно быть обеспечено
корректное применение экранированных соединителей и должна
быть уверенность, что при инсталляции использование
соединителей совместно с кабелем будет правильным. В случае применения
неэкранированного кабеля роль соединителей менее важна, но
интерфейс должен быть спроектирован таким образом, чтобы
обеспечивалась хорошая режекция помех общего вида. Это
обеспечивается физически применением балансного соединения и особенно
включением широкополосных ферритовых дросселей общей моды
(пункт 8.2.4). Также необходимо определить продольные
переходные потери (LSL), допустимые для кабеля, обычно ограниченные
требованиями к категориям кабелей по IEC 11801.
8.1.7.1 Продольные переходные потери
Продольные переходные потери симметричной кабельной
системы или соответствующей одно- или двухпортовой цепи —
измеренные значения передаточной моды, которая определяет степень, до
которой недостаточно сбалансированный параметр будет
переходить в нежелательный дифференциальный сигнал, возбужденный
продольным (общий режим) сигналом. Измерение этого параметра
представлено на рис. 8.12 [172]. Хотя этот рисунок показывает
426
Интерфейсы, фильтрация и экранирован
сигнал дифференциального вида, который генерируется входн
сигналом общего вида, принцип обратим и может быть использо]
для описания нежелательного сигнала общего вида, созданного
лезным дифференциальным сигналом.
LCL = 20 log10
,дБ
Рис. 8.12 Затухание продольного перехода
Если существуют ограничения на эмиссию общего вида на
ком-либо порте, тогда LCL, определенное для этого порта, мо
быть использовано для определения максимально допустимой
плитуды дифференциального сигнала, который может быть п
дан. Дополнение Е к СИСПР 22 (ЕН 55022) [137] дает выражс
для оценки тока /см общего вида, вызванного дифференциалы
напряжением Ur
где Zo — полное сопротивление для сигнала, Zcm — полное сопрог
ление общего вида для него с худшим (низшим) значением LCL i
— тоже, но с лучшим значением LCL
Так, для класса В ограничение тока составляет 30 дБмкА, сог.
но 3-му изданию СИСПР 22, LCL для категории 3 составляет 50
Zo — 100 Ом, Zen =Zct — 25 Ом, максимально допустимый уров
сигнала на какой-либо заданной частоте составляет 114 дБмкВ,
0,5 В. При повышении полных сопротивлений общего вида Zcm i
обеспечивается более высокий уровень дифференциального, сш
ла.
8.2 Фильтрация и подавление
Вы не можете быть уверены в том, что полностью устрани
шумы, исходящие или входящие через соединительные конта]
аппаратуры. Целью фильтрации является ослабление таких шу
до уровня, который приемлем согласно спецификации, для исх<
щих из аппаратуры или, который не приведет к нарушениям р.
ЭМС для разработчиков продукции
427
тоспособности — для входящих шумов. Если фильтры содержат
элементы потерь, такие как резистор или ферритовыи компонент, тогда
энергия шумов может быть абсорбирована и рассеяна внутри
фильтра. Если таких элементов нет, т.е. элементы являются полностью
реактивными, тогда энергия отражается обратно к ее источнику и
должна быть рассеяна где-либо в системе. Это одно из условий,
которое отличает фильтры для подавления электромагнитных помех от
соответствующих сигнальных фильтров, которые в полосе
заграждения должны быть по возможности с минимальными потерями.
8.2.1 Структура фильтров
В понятиях ЭМС «фильтрация» всегда подразумевает
низкочастотный фильтр. Целью фильтрации, как правило, является
ослабление высокочастотных компонентов сигнала по отношению
к низкочастотным, проходящим через фильтр. Различные типы
фильтров низких частот показаны на рис. 8.13, и цепи фильтров
обычно строятся из их комбинаций. Эффективность конфигурации
фильтра зависит от полного сопротивления, относящегося к
каждому концу фильтра.
НизкоеZ
НизкоеZ
Высокое!
ВысокоеZ
НизкоеZ
ВысокоеZ
ВысокоеZ
~О
т
__/YYYY
От высокого к среднему От низкого к среднему
Рис. 8.13 Зависимость полного сопротивления от структуры фильтра
8.2.1.1 Полное сопротивление источника и нагрузки
Простейшая индуктивная цепь будет давать хороший результат
— ослабление более 40 дБ — в цепи с низким полным
сопротивлением, но будет мало •ффективна при большом полном
сопротивлении. Обычный конденсатор дай* хорошие результаты при высоком
428 Интерфейсы, фильтрация и экраниров
полном сопротивлении, но будет мало эффективен при мало
противлением. Многокомпонентный фильтр будет давать лу
результат в том случае, если он спроектирован корректно; ко
сатор должен быть первым элементом в случае высокого полно
противления на входе фильтра, а индуктивность — в случае м
сопротивления.
Условно параметры фильтра определяются при полном сопр
лении нагрузки в 50 Ом на каждом конце, потому что это ста*
ное условие для измерения для радиочастот. В реальной сит?
Zc и Z. являются комплексными и возможно неизвестна ча«
которая представляет интерес для фильтрации. Если один ш
параметров или оба представляют собой реактивные компон
тогда могут возникать резонансы, которые изменяют частота1
висимость потерь. Полное сопротивление дифференциально™
может быть спрогнозировано, если компоненты, которые вх<
состав источника и нагрузки, хорошо описаны на радиочас
но полные сопротивления общего вида, которые представляют
раметрами кабелей или распределенными реактивными соп
лениями механических структур, как правило, не предскас
Обычно для кабелей найдено, что в диапазоне сопротивлений
го вида от 100 до 400 Ом исключены резонансы, и для болыш
случаев можно взять значение 150 Ом (см. также раздел 5.3.1.
8.2.1.2 Паразитное реактивное сопротивление
Компоненты фильтра, так же как и все другие, не идеа
Индуктивность имеет собственную емкость, а конденсатор -
ственную индуктивность. Это должно быть учтено в эквивале.
схемах на высоких частотах, и поэтому для типичных фил
использующих дискретные компоненты, будут происходи7
менения их характеристик выше частоты среза, определ
его паразитными параметрами. Физически крупные компо
определяют низкую частоту среза. Для конденсаторов на час
превышающих частоту собственного резонанса, полное сопрс
ние конденсатора в цепи его включения растет так, что потер
жаются. Этого можно избежать путем использования специа
конструкции конденсатора (см. следующий раздел). Аналс
индуктивность имеет собственную резонансную частоту, вьи
торой ее полное сопротивление снижается. Цепи фильтров, и
зующие одиночный ферритовый дроссель, как правило, имею
ничение по своим свойствам, из-за собственного резонанса др
(рис. 8.14) и их ослабление лежит в диапазоне от 40 до 50 дБ.
ЭМС для разработчиков продукции
429
высокие характеристики могут быть получены применением
многосекционных фильтров.
./YYYY.
_L
T
г
О :ф
Ослабление 2о '■
цепи, дБ
-40.
Z «1/coCs (конденсатор)
2 ~ u>Ls (индуктивность)
> Частота
20мГн
2мГн
0.2мГн!_
100МГц 1МГц 10МГц
Типичные частоты собственных резонансов в зависимости от индуктивности ферритового торроида
Рис. 8.14 Эффекты собственных резонансов из-за паразитных реактивных
сопротивлений [52]
Конденсаторы
Для фильтрации радиочастот обычно применяются керамические
конденсаторы. Часто используются субминиатюрные полиэстровые
или полистирольные пленочные конденсаторы, которые адекватны
керамическим, но их размеры более приемлемы. Небольшой по
габаритам конденсатор, с короткими выводами (конечно, лучше, если
:»то пленарный компонент) будет иметь низкую собственную
индуктивность. Для фильтрации электромагнитных помех преимущество
следует отдавать диэлектрикам с малыми потерями, таким как X7R,
Y5V, Z5U. Основное значение играет емкость конденсатора, и поэто-
430 Интерфейсы, фильтрация и экранирована
му температурный коэффициент и напряжение не так важны. Не
если вы должны оптимизировать значение емкости для получени
особых характеристик, следует быть осторожным при выборе диг
лектрика Y5V или Z5U, поскольку они имеют высокую чувствител!
ность к температурным изменениям и изменениям напряжения.
Индуктивности
Индуктивность выполняется в виде обмотки из провода. Че
физически больше этот элемент, тем больше его индуктивность, ъ
также выше и его собственная емкость. Число витков может быт
уменьшено при использовании сердечника с высокой магнитне
проницаемостью, но это также сопровождается включением выс<
кой диэлектрической проницаемости, которая будет способствоват
увеличению емкости. По этой причине, всегда необходимо испол
зовать бобины, установленные на каркас с высокой магнитной пр<
ницаемостью, что более предпочтительно, чем вести намотку неп'
средственно на каркас. Для достижения минимальной собственнс
емкости начало и конец обмотки должны быть по возможное!
разделены; одним из путей достижения этого является примен
ние многосекционной обмотки. Однослойная обмотка обеспечивав
меньшую собственную индуктивность. Если необходимо использ<
вать большее число витков, чем возможно разместить в одном сло<
то предпочтительнее применить прогрессивную намотку, чем го
слойную (рис. 8.15); это приведет к минимизации емкости.
Высокая емкость
между началом и
концом обмотки""*.
JJJ
i
Один слой Два слоя (плохо) Прогрессивная
Рис. 8.15 Техника намотки индуктивностей
8.2.1.3 Расположение компонентов
Индуктивность выводов и паразитные емкости приводят к ухуг.
шению заданных параметров фильтров на высоких частотах. Дв
основные причины при применении фильтров не могут обеспечит
низкоиндуктивное заземление и соединения выводов входа и выхе
да, расположенных близко один от другого. Ослабление дифферег
циального вида на низких частотах будет существовать, но ослабле
ние общего вида на высоких частотах будет минимально.
ЭМС для разработчиков продукции
431
Плохое заземление обусловливает общее полное сопротивление,
которое уменьшается с частотой, и связь на высоких частотах
усиливается из-за локального пути заземления через фильтр. Общий
монтаж входа/выхода способствует этому посредством паразитной
емкости или взаимной индуктивности; это также возможно при
«чистом» монтаже за счет связи со стороной, где сигнал не фильтрован,
через непредусмотренные пути. Выходом из положения является
монтаж фильтра таким образом, чтобы его точка заземления
непосредственно соединялась с низкоимпедансной землей аппаратуры,
как правило, шасси, а контакты вход/выход должны быть
разнесены и при возможности экранированы друг от друга. Наилучшим
решением является расположение фильтра непосредственно на экране
аппаратуры (рис. 8.16).
_ ^
«, паразитная емкость связи
—i
экран аппаратуры
I - путь связи минует
полное сопротивление
заземления
X
Т
Т
dnon
про
полное сопротивление
провода заземления
1
^
заземление фильтра,
подключенное к
низкоимледансному
заземлению или
экрану
Плохая компоновка
Хорошая компоновка
Рис. 8.16 Компоновка фильтра
Расположение элементов внутри фильтра также играет
существенную роль. Компоненты входа и выхода должны быть разнесены
друг от друга для минимальной емкостной связи, все сигнальные и
особенно проводники заземления должны быть по возможности
короче и массивнее. Лучшим решением является компоновка
элементов фильтра в той последовательности, как они нарисованы на
принципиальной схеме. Если применяются индуктивные
компоненты, то они должны быть спроектированы и расположены таким
образом, чтобы магнитная связь между ними (через поля рассеяния)
была минимальна; наилучшим решением является применение тор-
роидальных сердечников.
8.2.2 Компоненты
Одним из наиболее широко применяемых приемов для
уменьшения как входных, так и выходных радиочастотных помех является
применение ферритовых втулок для кабелей и интерфейсов.
Привлекательность ферритовых дросселей состоит в том, что не требу-
432
Интерфейсы, фильтрация и экранирование
ется перепроектирование схемы, а часто — и конструкции. Поэтом?
подобные решения были и остаются весьма популярными. Многи<
производители выпускают специальные наборы, которые включаю'
ферритовые изделия, которые могут быть немедленно установлен!
на кабель для улучшения его характеристик.
Как показано в п. 5.1.1.2, ток, текущий по проводнику, создав
вокруг него магнитное поле. Передача энергии между током и Mai
нитным полем определяется «индуктивностью» проводника — дл
прямолинейного проводника собственная индуктивность составлю
ет 20 нГн на дюйм. Расположение магнитных материалов вокру
проводника увеличивает плотность магнитного потока, что пр*
водит к увеличению напряженности магнитного поля, и поэтом
индуктивность проводника увеличивается.
5МГц
50МГц /
материалы с различными составами
эквивалентная схема
Рис. 8.17 Зависимость полного сопротивления феррита от частоты и эквивалентна
схема
Феррит как раз и является таким материалом; его магнитна,
проницаемость управляется точным содержанием различны
оксидных компонентов, входящих в его состав (окись железа с до
бавками никеля и цинка) и существенно зависит от частоты. Маг
нитная проницаемость есть комплексная величина. Она содержи-
действительную и мнимую части, которые могут трактоваться Kai
индуктивная и резистивная составляющие полного сопротивления
«помещенного» в линию, проходящую через феррит. Значение эти:
компонентов зависит от частоты — на высоких частотах домини
рует резистивная составляющая (феррит может рассматриваться
как частотно зависимый резистор), которая вносит потери, так чт<
радиочастотная энергия рассеивается в толще материала и резонан
сы с распределенными емкостями отсутствуют или демпфируютс.
(рис. 8.17).
ЭМС для разработчиков продукции 433
Токи кабеля
Кабели должны нести сигнальный и возвратный токи, и/или
питание и возвратный ток и могут быть сведены к паре
проводников. Многопроводные кабели могут содержать несколько таких
пар. Магнитное поле в таких парах проводников, которое
производится «прямым» проводом, компенсируется равным по величине
и противоположным по направлению полем от «обратного» тока.
Поэтому любой магнитный материал, такой как ферритовая
втулка, расположенный вокруг кабеля, будет «незаметен» для токов
дифференциального вида. Это действительно так даже в том случае,
когда имеется несколько пар; их суммарный дифференциальный
ток будет равен нулю.
Расположение феррита вокруг кабеля не влияет на сигнал
дифференциальной моды, проходящий внутри феррита. С другой
стороны, токи общего вида генерируют магнитное поле вокруг кабеля.
Феррит, включенный в кабель, будет увеличивать локальное полное
сопротивление кабеля для этих токов.
Действие полного сопротивления
Так же как и с другими компонентами, феррит, расположенный
в цепи, работает между полными сопротивлениями источника и
нагрузки. Беглое рассмотрение эквивалентной схемы, представленной
на рис. 8.17, показывает, что максимальное ослабление, вызванное
простым делителем полного сопротивления, будет получено, когда
Zs и ZL имеют низкое значение. Например, если Zs и ZL составляет
10 Ом и полное сопротивление феррита на заданной частоте
составляет 100 Ом, общее ослабление (по отношению к варианту без
феррита) будет
[ ] = -15,6 дБ, (8.2)
но если полное сопротивление цепи 150 Ом, то ослабление
становится
Л = 201§[(150 + 150)/(150+100+150)] = -2,5дБ. (8.3)
Для кабелей интерфейсов характерно низкое сопротивление,
поэтому феррит должен быть применен непосредственно с емкостным
фильтром, подключенным к земле или к хорошо заземленному
экранированному соединителю. Для режима холостого хода или
длинных кабелей полное сопротивление общего вида для радиоча-
434 Интерфейсы, фильтрация и экранирование
стот изменяется с частотой и длиной кабеля, а также в зависимостз
от его нагрузки; при длине кабеля, равной четверти длины волн*
на холостом ходу полное сопротивление низкое — несколько Ом ил1
десятков Ом; при той же длине для короткозамкнутой цепи — по/
ное сопротивление высокое — несколько сотен Ом. Обычно неис
вестна длина кабеля интерфейса и его топология, поэтому частотна
зависимость полного сопротивления произвольная. Поэтому обычв
принимают некоторое среднее значение полного сопротивления дл
общего режима, которое составляет 150 Ом.
Полное сопротивление феррита редко превышает 2 — 300 Ом, чт
определяет ослабление, вызванное установкой феррита на кабеле пр
режиме холостого хода, типичным значением 6 — 10 дБ, с достижс
нием 20 дБ на некоторых частотах, на которых кабель имеет низко
полное сопротивление. Кривые на рис. 8.18 показывают значени
ослабления для двух размеров сердечников и двух полных сопротш
лений цепи.
8.2.2.2 Выбор и использование ферритовых компонентов
Размеры и форма
Существуют два основных правила выбора ферритовых втуло
для повышения полного сопротивления:
* там, где есть возможность выбора, более длинная втулка npej
почтительнее, чем толстая;
• из доступных следует применять материал с максимальным
параметрами.
Полное сопротивление данного материала сердечника пропорци
онально логарифму отношения внешнего диаметра к внутреннему,
также длине сердечника. Это означает, что для точного объема (ил]
массы) феррита наилучшие характеристики будут получены, еслз
внутренний диаметр, охватывающий кабель, будет плотно облегат]
его и если втулка будет максимально возможной длины. Возможнс
применение цепочки втулок, что приведет к пропорциональном?
возрастанию полного сопротивления.
Число витков
Индуктивность может быть увеличена путем намотки кабел*
более чем одним витком на сердечник. Теоретически индуктивност]
увеличивается пропорционально квадрату числа витков и на низ
ких частотах это действительно увеличит ослабление. Но на прак
тике интерес представляет широкополосная характеристика ферри
ЭМС для разработчиков продукции 435
тового подавителя и его высокочастотное применение, при котором
принимаются во внимание другие факторы, а именно:
• геометрия сердечника всегда должна отвечать следующим
требованиям: оптимальная форма — длинный сердечник и плотно
прилегающий к кабелю; в этом случае сердечник не
приспособлен для многих витков;
• более важно принимать во внимание межвитковую емкость,
которая выступает как паразитный компонент полного
сопротивления феррита и который уменьшает собственные
резонансные частоты узла.
Обычный эффект многих витков состоит в сдвиге частоты
максимального ослабления в нижнюю часть диапазона. Это также
увеличит значение максимального ослабления, но не в той мере, как
хотелось бы. Полные сопротивления источника и нагрузки играют
решающую роль в этом: низкое полное сопротивление снижает
действие паразитных емкостей.
Емкость
Поскольку феррит является фактически керамикой, он при
высокой магнитной проницаемости имеет высокую диэлектрическую
проницаемость. Это приведет к увеличению его емкости
относительно близко расположенных объектов, что может быть использовано
для улучшения параметров аппаратуры. Если феррит расположить
непосредственно около заземленной металлической панели,
например шасси, тогда будет сформирован LC-фильтр, в котором феррит
играет роль индуктивности и распределенного конденсатора. Это
улучшит фильтрующие свойства по сравнению с использованием
феррита в свободном пространстве. Для лучшего эффекта кабель
должен быть расположен под внутренней поверхностью феррита,
а феррит должен быть плоским и параллельным шасси, так чтобы
между ними не было воздушного зазора. Эта конструкция хорошо
приспособлена для работы с плоским кабелем.
Сопротивление
Ферритовый материал является слабопроводящим. Это редко
снижает его свойства до тех пор, пока феррит не будет установлен
поверх проводника. В этом случае необходимо знать о возможных
рисках, таких как утечки в цепях с высоким полным
сопротивлением. Типичное значение сопротивления лежит в диапазоне
10° ...10а Ом «см и достигает 10* Ом «см.
436 Интерфейсы, фильтрация и экранирование
Насыщение
Так же как и другие типы ферритов, сердечник фильтра может
насыщаться, если через него проходит низкочастотный ток
значительной амплитуды. При насыщении магнитный материал не
реагирует на увеличении плотности магнитного потока и эффективная
магнитная проницаемость падает, что приводит к снижению
эффективности сердечника. Большое достоинство использования
сердечника для режима общего вида заключается в том, что токи низкой
частоты скомпенсированы и сердечник не подвергается воздействию
магнитных полей, которые они генерируют. Однако это происходит
только в том случае, если сердечник расположен вокруг кабеля,
несущего прямой и возвратный токи. Если вы должны расположить
сердечник вокруг одиночного проводника (например, шина
питания) или кабеля, несущего ряд токов низкой частоты, следует
убедиться, что протекающие токи не превышают предела, при котором
сердечник теряет свои свойства. Эти свойства определяются из
графиков, описывающих свойства материалов для различных условий
и геометрии сердечников.
8.2.2.3 Трехвыводные конденсаторы
Любая конфигурация низкочастотных фильтров содержит в
простейшем случае индуктивность и параллельный конденсатор.
Идеальный конденсатор обеспечивает при возрастании частоты
увеличение ослабления с постоянной скоростью 20дБ/декада.
Практически из-за наличия проволочных выводов имеется
некоторая конечная индуктивность, которая должна быть учтена в схеме
фильтра, ограничивающая его высокочастотные свойства. Полное
сопротивление имеет минимум на некоторой частоте и возрастает на
более высоких частотах.
Индуктивность выводов может быть частично использована, если
конденсатор имеет трехвыводную конструкцию (рис. 8.19), при
которой разделяются контакты входа и выхода. В ней индуктивность
выводов формирует Т-образный фильтр с конденсатором,
значительно улучшающим его высокочастотные характеристики. Ферритовая
бусинка на каждом выводе будет способствовать дополнительному
повышению индуктивности выводов и увеличению эффективности
фильтра, когда он используется с источниками или нагрузками с
низким полным сопротивлением. Трехвыводная конструкция
может расширить диапазон малых керамических конденсаторов от
50 МГц до частот выше 200 МГц, что необходимо для подавления
помех в диапазоне ВЧ. Для полного использования возможностей
ЭМС для разработчиков продукции
437
подобной схемы фильтра необходимо подсоединить вывод от
средней точки (земля) к заземлению с низким полным сопротивлением,
например, заземленная плоскость, иначе индуктивность, которая
возникнет в этом соединении, сведет на нет действие конденсатора.
малый феррит 2!, 2Q0R
—большой феррит, 200R
150 ZOO 250 300
МГц
450 500
Малый феррит Seward 28B0375-100 (внешний диаметр 9,5 мм, длина 14,5 мм) с двумя витками;
большой феррит - Seward 28B0562-200 (внешний диаметр 14 мм, длина 28,5 мм) с одним витком
Рис. 8.18 Ослабление, внесенное ферритом, при различных полных
сопротивлениях цепи
паразитная
индуктивность, ограничивающая
ослабление на ВЧ
Двухвыводной конденсатор
Рис. 8.19 Трехвыводной конденсатор
Трехвыводной конденсатор
8.2.2.4 Проходные конденсаторы
Любые конденсаторы, имеющие выводы, ограничивают
эффективность фильтра за счет индуктивности в точках присоединения к
заземлению. В особо ответственных случаях, особенно где отверстие
в экранированных корпусах должны быть защищены от
прохождения высокочастотных сигналов, должны применяться проходные
конденсаторы (рис. 8.20). В них контакт с землей осуществляется
резьбовым соединением или пайкой по всему контуру корпуса
конденсатора непосредственно к экрану или к крышке аппаратуры. По-
438 Интерфейсы, фильтрация и экранирование
скольку токи заземления могут охватывать 360° вокруг
центрального проводника, то практически отсутствует индуктивность в месте
Металлизация J| Крышка корпуса Л Феррит
| Керамический диэлектрик
Внутренний проводник
Одиночный конденсатор ir-секция
Рис. 8.20 Проходной конденсатор
соединения конденсатора и корпуса, и свойства установленного кон
денсатора сохраняются на частотах до ГГц. Эти свойства являются
компромиссными в том случае, если охват на 360° не сделан ил!
крышка имеет ограниченные размеры. Индуктивность проходногс
проводника может быть увеличена созданием П-секционного филь
тра путем разнесения керамической металлизации, нанесенной ш
две части конденсатора и включение ферритовой бусинки внутр!
конструкции. Проходной конденсатор обеспечивает широкий диа
пазон напряжений и емкостей, но его стоимость увеличивается с
размером.
8.2.2.5 Чип-конденсатор
Чип-конденсатор, предназначенный для монтажа на поверхность,
отличается высокими характеристиками, и, хотя не предназначен
специально для помехоподавляющих фильтров, он перспективен
для этих целей из-за практического отсутствия индуктивности
выводов. Общая индуктивность снижена из-за того, что размеры
чип-конденсатора в 3 — 5 раз меньше, чем выводного. Собственные
резонансные частоты могут быть увеличены в два раза по сравнению
с выводным конденсатором такой же емкости. Трассы для монтажа
конденсаторов, которые используются для фильтрации и развязки,
должны быть короткими и прямыми для того, чтобы не ухудшить
характеристики фильтра из-за дополнительной индуктивности этих
трасс.
Конденсаторы для монтажа на поверхность выпускаются в виде
квазипроходных или трехвыводных вариантов, которые имеют
малые размеры, и средние точки непосредственно подсоединены к
слою заземления на печатной плате.
ЭМС для разработчиков продукции 439
8.2.3 Фильтры источников питания
Радиочастотные помехоподавляющие фильтры для шин питания
развиваются как отдельный вид фильтров и представляются во
многих вариантах электрических схем и физической реализацией.
Типичный блок фильтра для европейских источников питания со
средними показателями подавления может стоить около 5 — 10
фунтов стерлингов. Основные доводы по развитию и использованию
блоков фильтра питания следующие:
• удовлетворение требований стандартов на кондуктивную
эмиссию на порту питания — это требование рынка к фильтрам как
к изделию;
• использование принципа «установил и забыл»;
• удовлетворение требований электробезопасности;
• многие проектировщики оборудования не вполне знакомы с
особенностями радиочастотных помехоподавляющих
фильтров.
В действительности производители фильтров источников
питания слабо знакомы с методами управления кондуктивной поме-
хоэмиссии от источников. Для импульсных источников питания
наличие фильтра особенно необходимо для того, чтобы управлять
уровнем помех. Проблема ЭМС исторически позже охватила
коммерческие предложения и имеется много причин, по которым
устаревшие конструкции фильтров встречаются в изделиях, которые
подвергаются испытаниям; это обстоятельство также содействует
развитию рынка фильтров питания. Важным является
необходимость обеспечить безопасность для всех компонентов на стороне
источника питания аппаратуры, что требует особых договоренностей с
производителями фильтров, если используется простейший фильтр
на одном компоненте.
8.2.3.1 Применение фильтров питания
Просто подсоединение блока фильтра к выходу источника
питания улучшит показатели низкочастотной помехоэмиссия, такие
как гармоники низкочастотной области спектра для импульсного
источника питания. Но высокочастотная помехоэмиссия (выше
1 МГц) требует особого внимания компоновки цепи, окружающей
фильтр (см. пункт 8.2.1.3). Пренебрежение этим, так же как и
другими параметрами фильтра питания, не обеспечит хорошего
подавления радиочастотных составляющих и может даже ухудшить
параметры связи м счет дополнительных случайных резонансов на
440
Интерфейсы, фильтрация и экранирование
путях проникновения помех. Компоновка фильтра и модуль контак
тов вход/выход СЕЕ 22 является неплохим методом для того, чтобь
обеспечить хорошую компоновку, а также подсоединение к «чистой*
земле.
Наиболее общей ошибкой является выполнение монтажных со
единений импульсного источника питания, расположенных пере,,
фильтром, с последующим расположением этих проводников, в ко
торых распространяются сигналы с помехами, вдоль узлов аппара
туры к передней или задней панели. При этом не только компонен
ты фильтра оказываются под воздействием помех от импульсноп
источника, но и все устройство. Фильтр должен устанавливаться
первым на входе питания в корпус. Если это выполнить невозмож
но, тогда ключи, предохранители и т.п. устанавливаются сразу 3i
контактами вход/выход так, чтобы провода, в которых протекав'
нефильтрованный ток, имели минимальную длину, или необходим"
использовать комбинированные узел, включающий фильтр, ключ
предохранитель, контакты вход/выход. Монтаж с каждой сторонь
фильтра должен быть разнесен и напрямую выведен на соедините
ли. Если это невозможно, монтаж следует вести в виде двух секций
развернутых на 90 для минимизации связи между ними.
8.2.3.2. Типовой фильтр источника питания
Типовой фильтр (рис. 8.21) включает компоненты, относящиеся
как к общему режиму, так и к дифференциальному. Ферритовьи
трансформатор общего режима L содержит две идентичные обмот
ки на одном сердечнике с высокой магнитной проницаемостью, ка*
JL О
Первичная |
цель 1
электропитаний N
ЕО
1
Т
JTYYl
::' L "V;
-\^A^KAJ~
Х2 I
'Y2
-О L ]
-ON |
! Оборудование
-OE !
Эквивалентная схема
для дифференциальной моды
Cx2+ 0.5CY
Эквивалентная схема
для общей моды
L+N
±
Т
L+N
2Су
Рис. 8.21 Типовой фильтр источника питания и его эквивалентная схема
ЭМС для разработчиков продукции 441
правило, тороидальном, но иногда и составной конструкции в виде
«Е-Ь так, что дифференциальные (между линией и нейтралью) токи
компенсируют друг друга. Это позволяет получить высокие значения
индуктивности, типично — 1—10 мГн, в малом объеме без опасения
насыщения сердечника, вызванного токами источника питания.
Полная индуктивность каждой обмотки обеспечивает ослабление
токов общего вида по отношению к земле, но только индуктивность
рассеяния L|kg будет ослаблять помехи дифференциального вида.
Характеристики фильтра по отношению к дифференциальному
режиму жестко зависят от конструкции ферритового трансформатора,
особенно его индуктивности рассеяния. Высокое значение Llk будет
определять большое ослабление, но при этом ток насыщения
сердечника будет малым. Низкое значение Llkg достигается бифилярной
обмоткой, но обычные требования безопасности препятствую этому,
что продиктовано требованиями к минимальному зазору между
обмотками.
Конденсатор общего вида
Конденсаторы CY1 и Су2 ослабляют помехи общего вида и, если
значение СХ2 велико, то существенного влияния на помехи
дифференциального вида нет. Эффективность конденсатора CY во многом
зависит от полного сопротивления источника для помех общего вида
со стороны аппаратуры (рис. 8.22). Обычно это функция паразитных
емкостных связей с землей, которые сильно зависят от компоновки
Изменяемое полное эквивалент сети 50 Ом/50мкГн
сопротивление
дифференциального вида ^ ^^ __/YYYL
1—р |—п.
Распределенные'
емкости общего вида Порт оборудования порт питания
Рис. 8.22 Полные сопротивления в схеме фильтра источника питания
цепи и емкости между первичной и вторичной обмоткой
трансформатора источника питания, достигающей значений 1000 пФ.
Ослабление обеспечивается делителем напряжения на CY и может быть
более 15 — 20 дБ. Ферритовый трансформатор общего вида является
наиболее эффективным компонентом и в том случае, когда Су весьма
жестко ограничен, может потребоваться более чем один подобный
трансформатор. Примерные расчеты параметров компонентов
приведены в приложении С (п. С.б).
442 Интерфейсы, фильтрация и экранирование
Конденсаторы дифференциального вида
Конденсаторы СХ1 и СХ2 ослабляют только помехи
дифференциального вида, но должны иметь существенно высокие номиналы:
типичное значение от ОД до 0,47 мкФ. Опуская детальные требования
к характеристикам, напомним, что полные сопротивления
источника и нагрузки могут быть низкими для используемых
конденсаторов. Например, конденсатор 0,1 мкФ имеет полное сопротивление
около 10 Ом на частоте 150 кГц, и полное сопротивление помехам
дифференциального вида, вызванное СХ2, может быть значительно
меньше него для источников питания мощностью в сотни ватт, так
что СХ2 не будет оказывать действия в нижней части частотного
диапазона, который наиболее важен.
8.2.3.3 Условия безопасности
Конденсаторы Су; и CY2 ограничены по номиналам возможным
током, который может протекать в системе защитного заземления
из-за повреждения конденсатора CYI (или СУ2). Значения этих токоб
лежат в диапазоне от 0,25 мА до 5 мА и зависят от принятых норм
безопасности, класса безопасности и типа используемой
аппаратуры. Медицинская аппаратура имеет малые допустимые нормы,
типично 0,1 мА. Отметим, что речь идет об общем токе утечки
аппаратуры; если имеются другие компоненты, например ограничитель
переходных процессов, которые формируют токи, протекающие к
земле, то эти токи должны быть добавлены к токам, вызванным Су,
и должны быть учтены при выборе Сг
Фильтр помех типа BS613, который применяется в
Великобритании, имеет максимальное значение CY, равное 5000 пФ с допуском
20% для аппаратуры класса безопасности I и II. Часто оговоренное
значение тока утечки 0,75 мА дает максимальное значение емкости
конденсатора 4,7 нФ для каждой фазы, и именно это значение чаще
всего встречается в руководствах по фильтрам источников
питания.
Конденсаторы Сх и Су предназначены для работы под
напряжением питания и должны выбираться по этому параметру.
Повреждение Сх может привести к риску воспламенения, а повреждение
CY может привести как к риску воспламенения, так и поражению
электрическим током. Маркировка «X» и «Y» определяет
соответствующий класс компонентов согласно ЕН 132400 (аналогично и в
МЭК 60384-14).
ЭМС для разработчиков продукции 443
8.2.3.4 Вносимые потери и полное сопротивление
Готовый фильтр всегда специфицируется относительно
полных сопротивлений источника и нагрузки, имеющих значение
50 Ом. Типовая конфигурация фильтра обеспечивает ослабление в
40 — 50 дБ на частоте 30 МГц как для общего, так и для
дифференциального режима. На частотах более 30 МГц распределенные
реактивные сопротивления компонентов ограничивают достижимые
потери, а также создают трудности для прогнозирования поведения
фильтра. Ниже 1 МГц ослабление падает в основном из-за снижения
эффективности компонентов.
При нагрузке фильтра на сопротивление в 50 Ом в реальной
ситуации отсутствуют отражения. Высокочастотное полное
сопротивление порта питания может быть представлено для общего и
дифференциального режимов как цепь с параметрами 50 Ом/50мкГн,
согласно требованиям к эквивалентам сети СИСПР 16 (п. 3.1.2.3).
Эти параметры должны быть использованы, когда изделие проходит
тестирование на соответствие. Полное сопротивление порта
оборудования существенно зависит от высокочастотных характеристик
входных компонентов: трансформатора, диодов и накопительных
емкостей. Полное сопротивление дифференциального вида, как
правило, составляет несколько Ом для небольших электронных
изделий, а полное сопротивление общего вида, как обсуждалось
выше, обычно имеет емкостную составляющую, приблизительно
равную 100 — 1000 пФ. Поскольку указанные нагрузки отличаются
от 50 Ом, они могут усилить резонансы внутри фильтра, что вызовет
усиление на некоторых частотах, как правило, ниже частоты среза
150 кГц, определяемой ограничением на кондуктивную эмиссию.
Один из альтернативных методов измерения вносимых потерь
заключается в использовании сопротивления нагрузки 0,1 Ом/100 Ом
и наоборот. Этот метод представлен в Публикации СИСПР 17, и его
результаты дают более реалистичные параметры для некоторых
условий, но немногие производители сопровождают свою продукцию
соответствующими данными, полученными этим методом. Если можно
обеспечить чисто резистивное полное сопротивление нагрузки,
можно получить ожидаемые характеристики вносимых потерь для 50 Ом,
используя выражения, приведенные в приложении Сб.
Схема, показанная на рис. 8.22, может быть проанализирована
с помощью программы анализа электронных средств. При этом
необходимо дополнить ее паразитными реактивными
параметрами (емкость вдоль катушки трансформатора, индуктивности
последовательно о емкостями) с тем, чтобы получить более точный
444
Интерфейсы, фильтрация и экранирование
результат и обеспечить желаемое ослабление при известном уровне
помехоэмиссии.
8.2.3.5 Насыщение сердечника
Фильтры предназначены для работы с максимальными
среднеквадратичными значениями токами (RMS), которые определяются
нагревом сердечника в режиме общего вида. Емкостной вход
источника питания имеет четко выраженный несинусоидальный входной
ток (см. обсуждение гармонических составляющих в источнике
питания, п.5.4) с пиковым током, который в 5 — 10 раз превышает
RMS. Из-за желания более рационально использовать объем, ферри-
товый трансформатор фильтра источника питания проектируется
таким образом, чтобы индуктивность для общего режима
снижалась на 80% от номинального значения. Для защиты индуктивности
в общем режиме от насыщения эта точка снижения индуктивности
на 80% должна приходиться точно на пик тока. Магнитное поле
вызванное токами источника питания, компенсируется внутри фер
ритового сердечника общего режима, но распределенная
индуктивность (примерно 1% от номинальной) приводит к насыщению при
пиковом токе. Действие ферритового трансформатора при
насыщении проявляется у основания спектра в области 150 кГц, где можно
отметить снижение ослабления более 10 дБ (рис. 8.23).
высокий пик-фактор - сердечник насыщен
соответствующий
пиковый ток
входной источник
1.5 I
RMS
/* синусоидальный
/ эквивалент
прошедший
переходной процесс
звон
а) эффект пик-фактора
Рис. 8.23 Эффект насыщения сердечника
б) вызванные переходные эффекты
Проблема усугубляется, когда из-за проходящего тока сердечник
разогревается. При повышенной температуре насыщение
достигается при малых значениях плотности потока, что приводит к
уменьшению ослабления.
ЭМС для разработчиков продукции 445
Сердечник будет насыщаться также в присутствии источника
высокого напряжения, высокой энергии, воздействующего в общем
режиме, например, коммутационные процессы в импульсном
источнике (рис. 8.23,6). Напряжение источника будет проходить по схеме
с определенной задержкой, и скорость нарастания будет
уменьшена, но при этом будет достигнуто только малое ослабление, причем
форма перепада будет иметь вид периодического затухающего
колебания («звона»). Стандартный фильтр источника питания
проектируется только для ослабления помехоэмиссии в частотной области, и
он не может адекватно функционировать при больших входных
переходных процессах общего вида, хотя они работают в этом случае
лучше, чем другие. Переходные процессы дифференциальной моды
требуют значительно большей энергии для насыщения сердечника,
и они подавляются более успешно.
8.2.3.6 Расширенные возможности
В некоторых случаях вносимые потери, которые обеспечиваются
типичными схемами, не будут достаточны. Это может быть,
например, в том случае, когда импульсный источник питания должен
быть жестко ограничен по уровню помехоэмиссии, или имеется
значительная связь общего вида, или требуется обеспечить хорошую
помехозащищеность от внешних переходных процессов. В этом
случае базовая конфигурация фильтра может быть дополнена
следующими элементами (рис. 8.24):
• внешними ферритовыми дросселями, включенными по
дифференциальной схеме; это разделяет дроссели в цепях L и N,
которые не имеют перекрестной связи и поэтому
представляют высокое полное сопротивление для дифференциальной
моды сигнала, дающей лучшее ослабление совместно с С^.
Поскольку они не должны насыщаться при полном переменном
токе линии, они должны иметь значительные размеры и массу
для заданной индуктивности;
VDR VDR
Дроссвлы шли мщитногомммлфния Дроссели дифференциального вида
Рис. 8.24 Высокок$ч9СТМнный фильтр источника питания
446 Интерфейсы, фильтрация и экранирование
• индуктивность с ферритовым сердечником, включенная в
цепь заземления; это увеличивает полное сопротивление
для токов общего вида, протекающих в системе заземления
безопасности, которые могут способствовать распределению
помех общего вида как по входу, так и по выходу, когда Су
ограничено по максимуму значения и параметры помех в
источнике не могут быть изменены. Поскольку он
устанавливается последовательно в цепи защитного заземления, он
должен быть рассчитан на ток, который предусмотрен
стандартами электробезопасности. Следует гарантировать, что нет
еще какой-либо цепи, непосредственно связанной с защитным
заземлением, что часто обеспечивается кабелями или
какими-либо другими узлами аппаратуры; поэтому применение
последовательного ферритового дросселя в цепи защитного
заземления без других цепей заземления практически
невозможно;
• ограничители переходных процессов: применение
таких компонентов, как варисторов (voltage dependent
resistor — VDR) между линиями L и N, будет
удерживать входные сигналы дифференциальной моды
(см. п.8.2.5). Если они расположены у порта источника
питания, то они должны быть рассчитаны на полное поглощение
энергии переходного процесса, что предупредит от
насыщения ферритовый трансформатор и защитит фильтр С^. Если
ограничители расположены со стороны аппаратуры, тогда они
защищены полным сопротивлением фильтра. Конечно, это не
действует на переходные процессы общего вида.
В дополнение к этой технике расширение возможностей
базовой схемы П-фильтров может быть достигнуто путем каскадного
включения нескольких секций, возможно с межсекционным
экранированием и проходными конденсаторами для получения
максимально возможных вносимых потерь. Для достижения высоких
параметров фильтр должен быть использован совместно с хорошо
экранирующим корпусом для предотвращения высокочастотной
связи, которая может возникнуть в обход фильтра. Конденсатор
значительной емкости Сх должен быть защищен параллельным
резистором, что предотвращает возникновение опасных зарядов
между L и N, когда питание отключено (детальные требования
могут быть найдены в стандартах по безопасности, например МЭК
60335/ЕН 60335).
ЭМС для разработчиков продукции
447
8.2.4 Фильтрация по входу/выходу
Если контакты входа/выхода несут только низкочастотные
сигналы и малые токи, тогда возможно использовать простейшие
низкочастотные RC-фильтры (рис. 8.25,а). Развязывающий конденсатор
должен быть установлен для обеспечения «чистой» земли по входу/
выходу (см. п. 6.2.3), и он может быть не таким, как в цепи О В.
—1 „
расположение компонентов
у порта и "чистой' земли
а) простой RC-фильтр
-О
хорошее
расположение
конденсатора зависит
от полного
сопротивления цепи заземления
трансформатора
передача данных
дифференциальный
ток £1=0
в трансформаторе
прием данных
р заземление или экран
Ь) Фильтр общего вида на основе ферритового трансформатора и конденсатора
Рис. 8.25 Техника фильтрации по входу/выходу
8.2.4.1 Ферритовый трансформатор общего вида
Применение компонентов RC с большим значением номиналов
невозможно для высокоскоростных систем передачи данных, но
ослабление общего вида входящих и выходящих токов без
существенного ослабления информационных сигналов может быть
достигнуто применением ферритового трансформатора общего вида.
Трансформатор имеет несколько обмоток на одном сердечнике. При
этом дифференциальные токи компенсируют друг друга, в то время
как токи общего вида складываются так, как описано в п. 8.2.3.2.
Подобные устройства в виде готовых изделий доступны на рынке
(иногда называемые «фильтр линии данных») или могут быть
спроектированы.
Точные требования к конструкции будут зависеть от частотного
диапазона. Свыше 100 МГц достаточно одного-двух витков для
каждого канала на одиночном ферритовом блоке. Для низких частот
необходима миогомггкомя обмотка, и распределенная емкость,
448
Интерфейсы, фильтрация и экранирование
образуемая между витками, будет ухудшать высокочастотное
ослабление.
8.2.4.2 Фильтрующие контакты
Удовлетворительным решением совместного использования
конденсатора и индуктивности, показанным на рис. 8.25, является
их включение в конструкцию соединителя. Каждый контактный
штырь соединителя может представлять проходной конденсатор
с керамической обкладкой, внешняя металлизация соединяется
с матрицей, которая непосредственно соединяется с заземленным
корпусом соединителя (рис. 8.26,а). Индуктивность заземление
подобного соединения минимальная и определяется некорректным
подсоединением его корпуса к «чистой» земле — обычно металли
ческой пластине. Любое последовательное полное сопротивление е
цепи заземления приводит не только к деградации свойств фильтра
ции, но и способствует передаче сигнала из одной линии в другую 3£
счет перекрестных помех.
соединение к плате или проводам
керамическая втулка
металлизация,
соединяемая с внутренней
проводящей матрицей
заземление через
обкладку контакта
а) внутри соединителя
контактная розетка
панель заземления
соединяемая
металлической
стойкой
бескорпусной
конденсатор
Ь) на несущей пластине
Рис. 8.26 Фильтры-контакты
Преимущество этой конструкции состоит в том, что внесенные
потери могут быть расширены до частот в 1 ГГц, поскольку
низкочастотные потери зависят от номиналов конденсаторов (обычно 50
ЭМС для разработчиков продукции 449
— 2000 пФ), подключенных параллельно к каждому контакту. Если
в конструкцию внедрить ферритовый элемент, то может быть
сформирован П-фильтр совместно с проходным конденсатором (см. л.
8.2.2.4). При этом не увеличивается пространство, необходимое для
установки фильтров. Фильтрующие контакты имеют очевидную
привлекательность для решения проблемы фильтрации и
применяются достаточно часто. Включение ферритового элемента, размеры
которого соответствуют размерам выводов, будет соответствовать
установке для каждого контакта индивидуального ферритового
дросселя.
К недостаткам рассмотренной конструкции следует отнести
значительное увеличение стоимости по сравнению с конструкцией
соединителя без встроенных фильтров. Если не все контакты
должны быть фильтрующими или значения емкости различных
фильтров-контактов различны, то придется разрабатывать специальную
конструкцию. При этом требования по напряжению остаются
неизменными, а надежность не должна ухудшаться. Примером может
служить применение малой несущей платы для установки
бескорпусных конденсаторов в непосредственной близости от контактов
соединителя (рис. 8.26,Ь) с их заземлением, выполненным с
возможной минимальной индуктивностью. Эта конструкция
удовлетворительно функционирует на частотах выше сотен МГц, достаточно
дешева.
8.2.4.3 Токовые эффекты фильтрации
При использовании произвольных схем фильтрации цепь должна
быть соединена через конденсатор с землей, особенно когда
фильтрация ведется для изолированных цепей на радиочастотах. В отличие
от полезной полосы пропускания, конденсаторы РЧ-фильтра
обеспечивают готовый путь для переменного тока к земле для сигнальных
цепей и будут существенно искажать развязку по переменному току,
что приведет к тому, что РЧ-фильтр может действительно увеличить
чувствительность к помехам общего вида на низких частотах. Это
является результатом дисбаланса конденсаторов между прямым и
обратным проводом. Отмеченный факт может ограничить
допустимую емкость конденсатора десятками пикофарад.
Емкостная нагрузка по выходу низкочастотного аналогового
усилителя может привести к его нестабильному состоянию (см. п.
7.1.4.3).
8.2.5 Ограничители пароходных процессов
10 Захая М 1DB7
450
Интерфейсы, фильтрация и экранирование
Переходные процессы, поступающие на вход устройства через
сигнальные линии или шины питания, снижаются посредством
применения нелинейных компонентов: чаще всего варисторами (VDR), диодам*
Зенера (стабилитронами), разрядниками. Для защиты компонент уста
навливается параллельно линии (рис. 8.27) и для нормального сигнал*
LQ-
MQ-
I
Источник
питания и
фильтр
Цепь
—О
вход/
выход
—о
Рис. 8.27 Типичное расположение ограничителей переходных процессов
или напряжения питания представляет высокое полное сопротивлени
— существенным образом определяемое его собственной емкостью i
утечками. Когда переходной процесс превышает его порог срабатывг
ния, компонент переходит в состояние с малым сопротивлением, чт
позволяет отвести ток от источника переходного процесса мимо зг
щищаемой цепи, что ограничивает напряжение переходного процесс
(рис. 8.28). Параметры защиты должны быть согласованы с рабочим]
параметрами цепи, с уровнями безопасности, а также должны обеспечи
вать поглощение энергии, выделяемой при переходном процессе.
Эквивалентная схема
О
Z
О 1 О
нелинейное
21
сопротивление
ослабление
переходного Z2/(ZStrans
у процесса *-strans
ослабление сигнала Z1 /(ZSeig + Z1), пренебрежимо мало
Рис. 8.28 Работа ограничителя переходных процессов
ЭМС для разработчиков продукции
451
Первое требование заключается в простоте конструкции.
Удерживающее напряжение обычно в 1,5 — 2 раза больше рабочего напряжения и
защищаемые цепи должны выдерживать его. Второе требование
заключается в знании полного сопротивления источника Z^^ и возможной
амплитуды переходного процесса, которая достаточно трудно точно
прогнозируется, особенно для внешних источников. Это определяет энергию,
которая должна абсорбироваться в ограничителе. В [45] дано детальное
описание выбора требуемых характеристик ограничителей исходя из
известных параметров цепи, а также предлагаются технические решения
для определенных энергетических требований для ограничителей
источников питания переменного тока. Это просуммировано в таблице 8.1.
Стандарт IEEE C62/41 [178] дает детали источников переходных процессов
и амплитуд, а также описывает методы, рекомендованные для оценки
помехоустойчивости к переходным процессам.
Таблица 8.1 Параметры ограничителей переходных процессов
Вариант установки
Длинные разветвленные
цепи и выходные цепи
Главные фидеры и
короткие разветвленные цепи
Параметры сигнала
0,5 мкс/100 кГц
затухающие колебания
0,5 мкс/100 кГц
затухающие колебания
8/20 мкс
волновой процесс
Амплитуда
6кВ/200А
6кВ/500А
Энергия, рассеиваемая в
ограничителе, при
напряжении ограничения
500 В (120 В
системные)
0,8 Дж
2Дж
бкВ/ЗкА ! 40 дЖ
1000 В (120 В
системные)
1.6 дж
4Дж
80 Дж
В таблице 8.2 приведены сравнительные характеристики
наиболее распространенных типов ограничителей переходных процессов.
Наиболее применимы три основных типа; для установки варисто-
ров Zno в настоящее время доступны варианты в виде монолитных
многослойных конструкций, которые позволяют ограничивать
напряжение на уровне 5 В и могут сочетаться со встроенным
конденсатором, что позволяет использовать комбинированный прибор в виде
одного компонента.
Таблица 8.2 Сравнение типов ограничителей переходных процессов
Компонент
Варистор ZnO
Стабилитрон
Искровой
разрядник
Утечка
Умеренная
Низкая
Нулемя
Напряжение
фиксации
Среднее
Между низким и
ODfAHHM
Высокое при
пробое, низкое при
мшвщдеыи
Энергоемкость
Высокая
Низкая
Высокая
Электрическая
емкость
Высокая
Низкая
Очень низкая
Реакция
Средняя
Быстрая
Медленная
Стоимость
Низкая
Умеренная
От умеренной
до высокой
452 Интерфейсы, фильтрация и экранировани
Комбинированные типы
В ряде случаев используется параллельная установка нескольку
ограничителей для достижения характеристик, которые не могут бы
получены при установке одного компонента. Например, телекоммун
кационное оборудование требует защиты линий данных не только <
непосредственного воздействия переходных процессов, но и от локальнь
ударов молний и короткого замыкания между линиями передачи даннь
и шинами питания переменного тока [37]. Это может быть достигну
установкой как первичной, так и вторичной защиты; первичная запри
которая выполняется в виде газовых разрядников или углеродистых i
сителей разряда, поглощает основную часть приходящей энергии, но из-
малого быстродействия не устраняет короткие импульсные воздействи
Вторичная защита, которая выполняется на основе полупроводниковь
компонентов, обладает высоким быстродействием и необходима для г
глощения остаточной энергии.
Недостаток ограничителей на основе диодов Зенера заключает
в ограничении поглощаемой энергии, поскольку они должны рг
сеивать полный ток переходного процесса при напряжении огран
чения. Он преодолевается применением семейства ограничителей
которых интегрированы тиристоры и диоды Зенера. Когда перен
пряжение превосходит уровень ограничения, тиристор переходи!
проводящее состояние и ограничивает приложенное напряжение ]
низком уровне. При этом рассеиваемая энергия мала и аппарату
может работать при токах, в десятки раз превышающих допуст
мые токи для диодов Зенера. Предполагается, что рабочий ток це1
меньше, чем ток удержания тиристора, конечная проводимость т
ристора определяет параметры прошедшего переходного процесса
8.2.5.1 Расположение ограничителей переходных процессо1
Короткие и непосредственные подсоединения ограничител*
(включая цепи заземления) жизненно необходимы для достиж
ния удовлетворительного быстродействия, ограниченного внешш
индуктивностью. Переходной процесс имеет очень малую длител
ность фронта (от нескольких наносекунд для помех, вызваннь
коммутационными процессами, до субнаносекундного диапазо!
для ЭСР) и любая индуктивность в цепи ограничителя будет ген
рировать дифференциальное напряжение высокого уровня во Bpeiv
переходного процесса и «звон» после него, который будет ухудшаг
качество ограничения.
Выводы компонентов должны быть короткими (ограничите;
имеются в безвыводных корпусах, предназначенных для монтам
ЭМС для разработчиков продукции
453
на поверхность), и они должны быть подключены непосредственно к
цепям, которые они защищают (рис. 8.29) Любую связь через полное
сопротивление общей моды, через заземление или каким-либо дру-
Дифференциальная защита Защита по общей моде
цепь О В
общая шина
О
Плохо
цепь OB li
Рис. 8.29 Установка и конфигурация ограничителей цепей входа/выхода
гим путем, следует избегать. Когда ожидаемое полное
сопротивление источника переходного процесса низкое (меньше, чем несколько
Ом), быстрое увеличение полного сопротивления на РЧ входных
цепей достигается установкой компонентов потерь, такими, как фер-
ритовые втулки. Когда ограничитель комбинируется с фильтрами
входа/выхода, вы можете использовать трехвыводные компоненты
с варисторами и конденсаторами.
8.2.6 Ограничители в контактных устройствах
Открытый контакт, который прерывает протекающий ток —
обычно переключатель или реле, будет инициировать дугу в зазоре
между контактами. Дуга будет протекать до тех пор, пока ток не
будет достаточным для поддержки напряжения разряда в зазоре (рис.
8.30). Паразитная емкость и индуктивность контактного устройства
на практике будет приводить к повторным разрядам до тех пор, пока
их энергия не станет малой, что и определяет полосу частот помех
[12],[78]. Замыкание контактов также может вызвать помехи из-за
их дребезга.
Любой защищенный от искрения контакт, в котором возможно
возникновение помех, должен иметь средства предотвращения их
' Специалисты по антеннам определят, что речь идет о щелевой антенне.
454
Интерфейсы, фильтрация и экранирование
искрения. Критерием возможности возникновения дуги в
контактном зазоре является напряжение, прикладываемое к контактам,
которое должно быть более 320 В, и/или полное сопротивление цепи,
напряжение возмущения, пик=/, •1/(W.,,.
Z- характеристика
/ пробоя в контакте
СА Z (lL/300)2 • L
Рис. 8.30 Генерирование помех в контактной группе и их подавление
которое позволяет изменяться параметру dv/dt больше, чем 1 В/мкс.
Последний критерий будет далее встречаться при анализе многих
низковольтных цепей. Традиционная цепь защиты состоит из RC-
цепи, подключенной непосредственно параллельно контактам.
Значение емкости ограничивает скорость нарастания напряжения е
зазоре до уровня, предотвращающего возникновение дуги. Резистор
ограничивает разрядный ток конденсатора при замкнутых
контактах; его значение определяется компромиссом между максимальной
скоростью тока и ограниченной эффективностью конденсатора.
Параллельный диод может быть добавлен в цепь постоянного тока,
если этот компромисс не может быть удовлетворен.
8.2.6.1 Ограничения индуктивных нагрузок
Когда прерывается ток, протекающий через индуктивную
нагрузку, генерируется значительное напряжение переходного
процесса, обусловленное V=-Ldi/dt. Теоретически, когда di/dt бесконечна,
тогда напряжение также бесконечно. На практике оно ограничено
паразитной емкостью, если нет других компонентов, и форма
напряжения представляет собой демпфированную синусоиду (если не
происходит пробой), частота которой определяется индуктивностью
и паразитной емкостью. Типичным примером индуктивной
нагрузки является электромотор, катушки реле и трансформаторы, не
даже длинный кабель имеет достаточную распределенную индук-
ЭМС для разработчиков продукции
455
тивность для того, чтобы генерировать значительный по амплитуде
переходной процесс. Переключение может быть вызвано
электромеханическим контактом или полупроводниковым ключом и потом
может легко перейти в лавинный пробой из-за перенапряжения,
если переходной процесс не ограничен. Радиочастотные помехи
генерируются в обоих случаях на частотах, определяемых резонан-
сами паразитных емкостей, и обычно излучаются от проводов,
соединяющих ключ и нагрузку.
В некоторых случаях может быть использована демпфирующая
RC-цепь для гашения индуктивного переходного процесса. В других
случаях используются диоды, диоды Зенера или варисторы, как
показано на рис. 8.31. Во всех случаях компоненты ограничителей
должны быть установлены непосредственно за нагрузкой, в против-
постоянныи ток
переменный ток
ограничители
для электромоторов
не достаточно для подавления на радиочастотах
Рис. 8.31 Ограничители при индуктивной нагрузке
ном случае излучающая петля тока формируется промежуточным
монтажом. Защита транзистора управления, установленного
отдельно, должна выполняться как функциональный узел с
установленными ограничениями на радиочастотах.
8.2.6.2 Ограничители для электромоторов
Электромоторы постоянного тока являются достаточно
интенсивными источниками помех, поскольку генерируют импульсные и
широкополосные переходные процессы, повторяющиеся с частотой,
пропорциональной скорости вращения — другими словами, с
частотой от нескольких сотен до нескольких тысяч раз в секунду. Спектр
этих помех может занимать диапазон до нескольких сотен МГц. Они
проявляются • шумах как ■ дифференциальном через оконечную
456 Интерфейсы, фильтрация и экранирован!
нагрузку, так и в общем виде по отношению к корпусу посредств
связи через паразитные емкости.
Наилучший метод ограничения состоит в защите мотора от гез
рируемого импульсного напряжения в коммутаторном сегменте. £
может быть достигнуто только при изготовлении моторов путем ус
новки варисторов или RC-цепочки между каждым коммутаторы'
сегментом, но необходимы гарантии, что мотор будет функцио]
ровать без установки ограничителей. В противном случае требуег
конденсатор, параллельный нагрузке (для дифференциального
жима) и от нагрузки к общей шине (для общего режима). Если обп
шина недоступна, тогда можно использовать для общего режима ф
ритовый нейтрализующий трансформатор со стороны нагрузки мо
ра. Помехи от моторов часто появляются в виде помех общего вида
отношению к корпусу как результат больших емкостей между кор
сом и обмотками, поэтому именно техника снижения помех общ
вида используется достаточно часто.
8.3 Экранирование
Экранирование и фильтрация являются дополняющими прие
ми. Мало смысла в применении фильтрации и практической защ]
цепей от кондуктивных помех, если нет возвратного пути для toi
фильтрации. Экран обеспечивает подобный путь, а также занц
от непосредственного воздействия электромагнитного поля на в
тренние цепи и проводники. Экранирование заключается в ус
новке проводящей поверхности вокруг критических путей схе,
так, что электромагнитное поле, которое обеспечивает наводки
них, ослабляется комбинацией эффектов отражения и поглощен!
Экран должен быть выполнен в виде полностью металлическс
кожуха, если необходимо обеспечить уровень защиты на низких1
стотах, но, если будет достаточно защиты на высокой частоте (6oj
30 МГц), тогда может быть применен пластик с тонким проводящ
покрытием.
Необходимо ли экранирование?
Экранирование является дорогим и сложным конструкторским
шением, поскольку много других факторов — эстетических, произв*
ственных, ремонтопригодности — работают против него. Решение о в-
можности применять экранирование должно быть принято на наибш
ранних стадиях проектирования аппаратуры. Часть 4, параграфы 4.5
4.3 показывают, что электромагнитная связь осуществляется через ка
ли интерфейса непосредственной индукцией к/из печатных плат. Необ
ЭМС для разработчиков продукции
457
дим расчет значений интенсивности полей, генерируемых проводниками
печатных плат, и их сравнение с допустимыми нормами помехоэмиссии
(см. п. 7.1.2). Если ограничение превышено в данной точке и трассировка
платы не может быть улучшена, тогда необходимо экранирование.
Экранирование не оказывает эффект на связь общего вида через кабели, и, если
она является основной, полное экранирование может быть не
обязательным. Это делает необходимым создание «чистой» возвратной земли для
развязывания токов общего вида, что возможно выполнить на плоскости
заземления больших размеров, если монтаж выполнен правильно.
Описание экранирования лучше разделить на две части:
• теория ослабления электромагнитной волны, проходящей
через проводящий барьер конечной толщины;
• снижение теоретической эффективности экранирования за
счет реальных ограничений на конструкцию экрана.
8.3.1 Теория экранирования для конечного барьера
8.3.1.1 Отражение и поглощение
Переменное электромагнитное поле, падающее на проводящую
стенку конечной протяженности, будет индуцировать вихревой
ток, протекающий по поверхности стенки, который будет
генерировать отраженную волну, противоположную падающей. Граничным
условием на стенке является равенство нулю электрического поля.
Амплитуда отраженной волны определяет потери на отражение для
стенки. Поскольку экранирующая стенка имеет конечную
проводимость, часть тока проникает внутрь стенки и часть его достигнет
падающая
волна
отражение
от дальней
границы стенки
прошедшая
волна
Толстые стенки
Тонкая стенка
Рис. 8.32 Отраж$ни* и поглощений ■ конечном барьере
458 Интерфейсы, фильтрация и экранирование
противоположной стороны стенки, где будет генерировать собствен
ное электромагнитное поле (рис. 8.32). Отношение падающей волнь
к прошедшему полю определяет эффективность экранирование
стенки.
Более толстая стенка увеличивает ослабление тока через нее. 9ti
потери поглощения зависят от числа «толщин скин-слоя», которьи
укладываются в толщине стенки. Толщина скин-слоя (приложёнш
С) определяется глубиной проникновения переменного тока в толщ;
проводящего материала. Она уменьшается с частотой и с увеличени
ем проводимости и магнитной проницаемости. Поля ослабляются н.
8,6 дБ (1/е) на каждый скин-слой. Например, скин-слой для алюми
ния на частоте 30 МГц составляет 0,015 мм. Это объясняет, почем;
тонкое проводящее покрытие является эффективным на высоки:
частотах — ток протекает только по поверхности и масса материал
не влияет на эффективность экранирования.
Экранировать или не экранировать
• если поля дифференциального режима будут превышать устг
новленный предел, то экранирование необходимо;
• если компоновка требует распределенного расположения ив
терфейсов, то экранирование, вероятно, будет необходимо;
• если компоновка позволяет концентрировать интерфейсы, т>
успешным решением может быть применение пластины зазем
ления;
• экранируйте только критические цепи.
Потери отражения
Потери отражения R зависят от отношения полных сопротив
лений среды распространения электромагнитной волны и барьера
Концепция определения полного сопротивления среды распро
странения электромагнитной волны описана в п. 5.1.4.2. Полно»
сопротивление барьера является функцией его проводимости J
магнитной проницаемости, а также частоты. Материалы с высоко!
проводимостью, такие как медь или алюминий, имеют более высо
кие показатели потерь отражения для электрической составляющей
поля, чем материалы с малой проводимостью, например сталь. По
тери отражения уменьшаются с увеличением частоты для электри
ческого поля и увеличиваются для магнитного поля. В ближней
зоне, при расстоянии от источника менее Х/2тт, расстояние меЖД?
источником и барьером также влияет на потери отражения. Вблиз»
ЭМС для разработчиков продукции
459
источника полное сопротивление электрическому полю высокое и
потери отражения соответственно высоки. Наоборот, полное
сопротивление магнитному полю мало и потери отражения малы. Когда
барьер расположен достаточно далеко, чтобы можно было считать,
что он находится в дальней зоне, электромагнитная волна может
считаться плоской электромагнитной волной с постоянным полным
сопротивлением среды распространения, которое не зависит от
расстояния. Следует обратиться к рис. 5.9 для пояснения различия
между ближней и дальней зоной.
Потери переотражения В в большинстве случаев незначительны
по отношению к потерям поглощения А, которые составляют более
10 дБ, но становятся значимыми при тонких барьерах на низких
частотах.
Потери поглощения
Потери поглощения зависят от толщины барьера и толщины
скин-слоя и зависят от типа поля — электрическое, магнитное или
плоская электромагнитная волна. Толщина скин-слоя определяется
свойствами материала барьера; в противоположность потерям
отражения, сталь обеспечивает большее поглощение, чем медь, при
одинаковой толщине. На высоких частотах, как показано на рис. 8.33,
потери отражения становятся основной составляющей и увеличива-
падающая электромагнитная волна.
потери отражения R
потери поглощения А
потери переотражения В
прошедшая
электромагнитная
волна
i
i
H
—a
-
-
a
f
m » "
tE ♦ A. (=
O.ZSmm
■**
к
потери отражения re
I
hh
1
J.
*
— .
*
wr
■■
sot
1
1
^—
«.—■
/
t
i
Re + A,«» 0.025twn /^
^*k,
^——
t m 0.25mm t > 0.0£5ffim -S
|
* .-
Г
У
■и
(00k
1M
10M
Рис. 8.33 Зависимость эффективности экранирования от частоты для медного
листа
460 Интерфейсы, фильтрация и экранирование
ются экспоненциально в зависимости от квадратного корня
частоты. Приложение С (часть С.4) дает формулы для определения A, R и
В в зависимости от параметров материала.
8.3.1.2. Эффективность экранирования
Эффективность экранирования сплошного проводящего барьере
определяется отношением между напряженностью полей в точш
пространства без барьера и при его наличии. Она может быть за
писана как сумма потерь отражения, переотражения и поглощения
как показано на рис. 8.33 и дано уравнением (8.4)
SE = R+A+В, дБ. (8.4
Это выражение известно как «модель линии передачи» для эф
фективности экранирования, и среди других моделей она выделя
ется важнейшим предположением, что связь между токами экран*
и источника падающих волн пренебрежимо мала. В болыпинств<
приложений это негарантированное предположение, но оно суще
ственно упрощает модель, когда это допустимо.
8.3.2. Низкочастотное магнитное поле
Экранирование магнитного поля на низких частотах во всех слу
чаях и для любых целей невозможно выполнить из чисто проводя
щего материала. Это происходит потому, что потери отражения (RH\
для падающей магнитной волны зависят от согласования полногс
сопротивления поля с полным сопротивлением барьера. Полное
сопротивление низкочастотного магнитного поля хорошо согласуется
с низким полным сопротивлением, и поле проходит через барьер с
ослаблением или поглощением только в несколько дБ. К счастью,
требования Директивы ЭМС не распространяются на магнитное
экранирование на низких частотах, с возможным исключением для
некоторых типов аппаратуры, которая может быть чувствительна к
полям промышленной частоты.
Материалы с высокой магнитной проницаемостью, такие *как
мю-металл или ему подобные, могут применяться в качестве
низкочастотных магнитных экранов, концентрируя поле внутри
толщи металла. Это другой механизм экранирования по отношению к
рассмотренному выше, который обычно жизнеспособен для защиты
отдельных чувствительных компонентов, таких как ЭЛТ или
трансформаторы. Для бесконечно длинного цилиндра в поле постоянного
поля коэффициент экранирования представляет:
ЭМС для разработчиков продукции 461
SM = (i/2-*/d, (8.5)
где jx — магнитная проницаемость материала и t/d — отношение
толщины материала к диаметру цилиндра.
В действительности на концах цилиндра экранирующие свойства
нарушаются, но при расстояниях внутри цилиндра больше, чем его
диаметр, экран может быть рассмотрен как бесконечно длинный;
вместо этого может быть использована заглушка из материала с
высокой магнитной проницаемостью. Сварные швы и поля высокой
интенсивности снижают магнитную проницаемость материалов ц,.
Высокая плотность магнитного потока способствует насыщению
материала. Если это может произойти, тогда увеличивают толщину
материала или используют двойной экран с конструкцией «один в
другом», в котором материал с высокими характеристиками
насыщения при высоких плотностях магнитного потока располагается
первым на пути магнитного поля. В качестве варианта можно
использовать фольговый магнитный экранирующий материал,
который удобен при ручной доработке изделий. Изготовление экранов
должно быть должным образом организовано и выполняться
специалистами.
8.3.3 Эффект отверстий
Кривые эффективности экранирования на рис. 8.33 показывают,
что легко может быть получено ослабление более 200 дБ, используя
приемлемые толщины обычных материалов. Является фактом, что
на практике эффективность экранирования не определяется
характеристиками материалов, а ограничивается наличием отверстий
(апертур) и неоднородностями в экране. Отверстия необходимы для
вентиляции, управления и интерфейсного доступа, а также для окон
наблюдения и индикаторов. Швы, образующиеся при соединении
проводящих частей экрана, представляют собой неоднородности и
фактически отверстия. Кроме этого, экраны почти всегда
применяются в ближней зоне компонентов, расположенных внутри корпуса.
Теоретические параметры экранирования являются только
максимально достижимыми, а на практике они существенно ниже.
Существуют различные подходы для определения снижения
эффективности экранирования из-за влияния отверстий. Простейший
подход состоит в том, что эффективность экранирования зависит от
отношения максимального размера отверстия и частоты, принимая
462
Интерфейсы, фильтрация и экранирование
эффективность SE, равную 0, когда \ = 2L: SE = 201g(\/2L). Таким об
разом, SE увеличивается линейно с уменьшением частоты до мак
симума, определяемого материалом барьера, с существенным сниже
нием для больших отверстий. Для узких щелевых отверстий може1
быть применен корректирующий коэффициент. Эта простейшая
аппроксимация находит применение при проектировании аппарату
ры, поскольку не требует детального знания параметров конструкци]
или поля, но с ее помощью нельзя корректно прогнозировать значе
ния ослабления поля.
8.3.3.1 Прямоугольный корпус с одиночным отверстием (мо
дель линии передачи)
Исследования, выполненные в конце 1990 годов в Университет
Йорк и Ноттингеме [114], [47], позволили создать теорию, котора
показала хорошую корреляцию с реальными результатами. В не
точка измерения закороченный щель
точка
измерения
короткое
замыкание
плоская
U-* волна
волновод
(а) конструкция бокса
волновод
(Ы эквивалентная схема
100
80
800
1000
(с) расчетный пример
размеры бокса: ширина 480 им, глубина 400 мм, высота 133 мм,
ширина щели 100 мм, высота щели 20 мм, значение р расстояние
от стенки со щелью; 10 - щел*
Рис. 8.34 Моделирующий прямоугольный бокс с щелевым отверстием
ЭМС для разработчиков продукции
463
рассматривается прямоугольный экранирующий корпус с
одиночным щелевым отверстием на одной из сторон (рис. 8.34,а) как
закороченный волновод. Щель моделируется как длинная линия,
закороченная на обоих концах, и инцидентное поле представляется
источником напряжения с полным сопротивлением,
соответствующим сопротивлению свободного пространства (рис. 8.34,Ь). Для
определения эффективности экранирования инцидентное
напряжение сравнивается с напряжением, определяемым рапределением
вдоль волновода.
На рис. 8.34,с показано использование этой модели для расчета
эффективности экранирования бокса, размеры которого
соответствуют типичному блоку со смотровым окном на передней панели.
Видно, что экранирующий эффект различается в зависимости от
того, где расположена точка измерения внутри бокса, а также, что
ширина щели не имеет существенного значения. Важно отметить,
что эффективность экранирования может стать отрицательной, т.е.
поле внутри бокса более интенсивно, чем инцидентное, что
объясняется резонансными явлениями в боксе.
Резонанс корпуса
Как отмечалось в п. 5.3.1.3, в экранированном корпусе могут
возникать резонансные провалы; стоячие волны могут формироваться
между противоположными стенками, когда расстояние между ними
равно кратному числу полуволн. Электрическое поле увеличивается
в середине этих провалов, в то время как магнитное поле
увеличивается на стенках (рис. 8.35). Для пустого объема частота резонанса
определяется как
F = \5oJ{(k/lf+(m/h)2+(n/wf}tMru, (8.6),
где Uhviw — размеры корпуса в м;
максимальный ток по поверхности при резонансе
Стоячие волны
внутри корпуса при
резонансе
Рис. 8.33 Резонансны* ухущяни* эффективности экранирования
464 Интерфейсы, фильтрация и экранирование
к,ття.п являются положительными целыми числами, но не более
чем одно из них может равняться 0.
Приближенно возможная нижняя резонансная частота при рав
ных размерах корпуса по всем направлениям может быть определе
на из уравнения (8.7).
^ = 212// = 212/й = 212/и>,МГц. (8.7
Резонансные эффекты ухудшают эффективность экранирование
на резонансных частотах. На этих частотах распределение поля вну
три полости приводит к тому, что по стенкам протекает максималь
ный ток и поэтому возникает максимальная связь через отверстие
неоднородного корпуса, как может быть показано на рис. 8.34,с. Пр*
увеличении частоты резонансы располагаются ближе друг к другу
и возникают моды высокого порядка {k, m и п), так что эффектив
ность экранирования резко изменяется.
Уравнения, приведенные выше, являются точными для полное
тью свободного объема, но его заполнение компонентами, проводя
щими конструктивными элементами и печатными платами будет
сдвигать резонансы и уменьшать их амплитуду, часто весьма
существенно [127]. Это может иметь полезные последствия: например,
если возникают особые проблемы с наличием помехоэмиссии или
помехоустойчивостью при резонансах, изменение резонансных
полостей внутри бокса добавлением, скажем, внутреннего экрана или
стяжек могут сдвинуть резонанс за пределы проблемной частотной
области.
Исследование эффекта щели
Худшая форма щели — длинная, узкая щель, особенно
расположенная перпендикулярно вектору электрического поля Е, которая
оказывает максимальное влияние на распределение токов,
протекающих по поверхности. Лучшей формой отверстия является круглая,
но вполне приемлемы квадратная или шестиугольная. Разделением
длинной щели на две более коротких улучшают как магнитное, так
и электрическое экранирование более чем на 6 дБ. Ширина щели
имеет только второстепенное влияние на результат.
8.3.3.2 Смотровые окна и вентиляционные отверстия
Смотровые окна занимают весьма значительные площади в
экране, и их следует закрывать прозрачным проводящим материалом,
ЭМС для разработчиков продукции
465
который должен быть хорошо электрически соединен с окружающим
экраном. В противном случае следует быть готовым к нарушению
экранирования только на низких частотах. Экранирующие окна
могут быть на основе тонкой медной черненой проволочной сетки или
покрыты тонкой пленкой золота. В этом случае теряются (между 60
и 80%) оптические свойства чистого стекла из-за влияния пленки
или дифракционных эффектов сетки. Эффективность
экранирования прозрачных проводящих покрытий значительно меньше, чем
сплошного экрана, поскольку покрытие будет иметь сопротивление
в несколько Ом/квадрат и ослабление будет полностью определяться
потерями на отражение. Это не происходит при использовании
сетки, но эффективность экранирования более 40 — 50 дБ может не
потребоваться из-за влияния других отверстий. Экранирующие окна
достаточно дороги и не пригодны для заказных применений.
Применение субблоков
Альтернативный метод, который позволяет использовать чистые
окна, состоит в установке экрана позади дисплея за счет
применения субблока (рис. 8.36), который должен иметь хороший контакт
с основной передней панелью. Электрическое соединение к дисплею
должно содержать фильтр для обеспечения целостности
экранирования, а дисплей не экранируется и тем не менее не должен быть
чувствительным к внешним воздействиям и не должен содержать
источников помехоэмиссии. Это альтернативное решение часто
легче и дешевле, чем применение экранирующих окон. Оно может
применяться и для других отверстий, кроме окон. Например,
значительное число соединений может быть выполнено посредством
окно на основе проводящей
сетки или тонкой пленки
хороший электрический контакт по периметру окна
дисплей
дисплей
фильтрэкран субблока
Рте. 8.36 Альтернативный вариант экранирования смотровых окон
466
Интерфейсы, фильтрация и экранирована
терминального блока, установка которого внутри корпуса будет ш
эффективна из-за большого числа нарушений целостности экране
за счет входящих кабелей. Вместо этого можно установить терм!
нальный субблок в отсеке на наружной стороне основного экрана
обеспечить соединение через экранированный интерфейс с фильтр!
ми (рис. 8.37).
фильтры
основная схема
в экранированном отсеке
терминальный
~ блок
неэкранированныи
отсек
экран
Рис. 8.37 Терминальный блок в неэкранированном отсеке
Сетка и сотовые отверстия
Вентиляционные отверстия должны быть закрыты перфорирс
ванным сетчатым экраном или перфорированными проводящим
панелями. Если отдельные равные по размеру перфорированнь
отверстия расположены близко друг к другу (расстояние межд
отверстиями менее Х/2), тогда уменьшение степени экранировани
по отношению к одиночному отверстию примерно пропорциональн
квадратному корню от числа отверстий. Так, сетка из 100 отверсти
с размером 4 мм имеет эффективность экранирования на 20 д
хуже, чем одиночное отверстие с размером 4 мм. С другой сторонь
для фиксированной открытой площади, эффективность экранирс
вания улучшается пропорционально квадратному корню от числ
отверстий: другими словами, вентиляцию всегда лучше обеспечит
сеткой с большим числом малых отверстий, чем с малым числог
больших отверстий. Два одинаковых отверстия, расположенны:
друг от друга на расстоянии более чем половина длины волны, н
вносят существенного дополнительного уменьшения в эффектив
ность экрана.
При необходимости улучшить показатели экранирования венти
ляционных отверстий без заметного изменения толщины и маесь
экрана применяются «сотовые» панели, в которых элементы в вид*
сот используются как запредельные волноводы (рис. 8.38). В это!
конструкции толщина экрана в несколько раз превосходит ширив'
ЭМС для разработчиков продукции 467
отдельного отверстия. Каждое отверстие по размеру w должно быть
меньше половины длины волны для частот, которые должны быть
непроводящий стержень
запредельный волновод
t/w > 4
А = 20log(A/2d) - 20iog Vn
расстояние между отверстиями < Я/2, > t
Рис. 8.38 Сетчатая панель и запредельный волновод
отсечены. Так для частоты ниже 1 ГГц труба диаметром менее 15 см
будет работать как запредельный волновод. В этом случае поле,
проходящее через отверстие, ослабляется приблизительно на 25 дБ на
каждый отрезок w в направлении t по толщине панели. При типовом
значении t/w = 4 обеспечивается высокая эффективность
экранирования в 100 дБ. Этот метод может быть использован для установки
изолированных осей вращения (непроводящих и не кабелей) через
панель.
8.3.3.3 Эффект швов
Обычно электромагнитный экран выполняется из нескольких
панелей, соединенных вместе с образованием швов. К сожалению,
когда соединяются два листа, проводимость поперек соединения
нарушается. Это может происходить из-за некачественной
поверхности одного из листов или из-за наличия краски, окислов или
ржавчины, что приводит к появлению изолирующего слоя на одной
или обеих поверхностях металла.
Следовательно, эффективность экранирования снижается за счет
наличия швов почти так же, как при наличии отверстий (рис. 8.39).
Отношение шага крепления (точек сварки) d к ширине нахлеста h
должно быть достаточно большим для повышения качества
экранирования. При этом •фф#ктивность экранирования должна быть как
минимум яа 10 — SO ДВ яыш», чем для большого отверстия. Особенно
468
Интерфейсы, фильтрация и экранирование
серьезна проблема для шарнирно откидывающихся передних пане
лей, дверей или крышек, которые составляют часть экранирующего
точки соединения, образующие электрический контакт
и
п
I
отсутствует электрический контакт поперек соединения плохой контакт вдоль шва
между точками соединения
размер d определяет эффективность экранирования, которая изменяется за счет зазора в шве h
Рис. 3.39 Швы между панелями корпуса
корпуса. Она может быть несколько смягчена, если проводящие ли
сты установлены с нахлестом, поскольку при этом формируется кон
денсатор, который создает парциальный путь для тока на высоки:
частотах. На рис. 8.40 показаны предпочтительные пути улучшение
проводимости мест соединений. Если они по каким-либо причина»
проводящая поверхность
проводящая прокладка
на проводящей поверхности
ш
Рис. 8.40 Сечение соединения, обеспечивающего хороший контакт
неприемлемы, то будет необходимо использовать внешний
металлический кожух, как описано в следующем пункте.
8.3.3.4 Ориентация швов и отверстий
Эффект, который создает неоднородность, определяется сцлой
тока в экране, протекающего около неоднородности. Если ток,
протекающий в экране, не будет иметь возмущений, тогда поле внутри
экранированной области будет минимально, но если ток будет
претерпевать изменения за счет неоднородности, то это создает путь
связи через экран, как описано в п. 8.3.3.1. При расчете
эффективности экранирования исходят из худшего случая ориентации
протекающих токов. Протяженное отверстие или узкий шов будут
оказывать существенное воздействие на ток, протекающий перпен-
ЭМС для разработчиков продукции
469
дикулярно им, по сравнению с током, протекающим параллельно2.
Этот эффект может быть использован, если можно управлять
ориентацией чувствительных проводников или проводников, склонных к
помехоэмиссии, внутри экранированного оборудования (рис. 8.41).
хорошо плохо
Рис. 8.41 Ориентация токов на поверхности экранов вокруг отверстий
Практическое применение отмеченного факта заключается в
расположении всех критических внутренних проводников в одной
плоскости, например, печатной платы. Тогда протяженные отверстия и
швы в экране должны быть расположены параллельно этой плате, что
более предпочтительно, чем перпендикулярная ориентация. Подобное
решение обеспечит выигрыш не более 10 дБ, поскольку геометрия
внутренних проводников не всегда строго планарна. Кабели или провода,
если они должны быть расположены около экрана, должны
ориентироваться вдоль или параллельно отверстию, а не прокладываться через
него. Поскольку поля утечки, определяющие связь в месте
соединения, более интенсивны около неоднородности, то внутренние кабели не
должны по возможности прокладываться около отверстий или швов.
Отверстия на различных поверхностях или швы различной
ориентации должны рассматриваться независимо, поскольку они
излучают в различных направлениях.
8.3.4 Мнимая плоскость
Если имеется печатная плата, спроектированная некачественно,
и при этом нет возможности изменить ее трассировку, то
возможным решением является применение «мнимой» плоскости [65].
При первом рассмотрении мнимая плоскость является частичным
3 Специшлисты по ШНТ9ННШМ апршдфлат, что речь идет о щелевой антенне.
470
Интерфейсы, фильтрация и экранировани
экраном, но действительный режим ее работы отличен от функци
экранирования. Мнимая плоскость есть просто плоская провод;
щая пластина, обычно выполненная из фольги, ламинированной
пластик, для обеспечения ее электрической изоляции. Она распол
гается по возможности близко к печатной плате (рис. 8.42). Альте
нативным вариантом является применение металлизированно]
перекрытие
мнимые трассы и токи
Рис. 8.42 Мнимая плоскость под печатной платой
участка пластмассового корпуса, расположенного в месте установи
печатной платы. Эта плоскость должна иметь по крайней мере тс
же размер, что и печатная плата, но предпочтительнее больше, тах
чтобы перекрывались края платы, особенно потому, что там ра«
положены критичные проводники.
8.3.4.1 Печатная плата без внешних проводников
Бели печатная плата не имеет внешних соединений, тогда мн*
мая плата может быть электрически плавающей: нет необходимост
соединять печатную плату и мнимую плату. В этом случае помехоЕ
миссия от платы на ее собственные проводники принципиальна ие
за токов общего режима, протекающих по различным трассам. Ош
создают мнимые образы токов на мнимой плате, которые располо
жены непосредственно рядом с образом на противоположной сторо
не платы (рис. 8.42,Ь) — отсюда и название платы. Этот образ токо
имеет противоположное направление относительно токов печатно1
платы. В результате совместного действия токов противоположны)
направлений происходит компенсация эмиссий от этих токов. При
ближение мнимой плоскости к печатной плате (расстояние h на рис
8.42) увеличивает эффективность этой компенсации; расстояние ог
источника до образа составляет 2 h.
Плоскость наиболее эффективна для снижения помехоэмиссии
если печатная плата спроектирована неправильно, т.е. включав'
ЭМС для разработчиков продукции 471
контуры большой площади (см. п. 6.2.2). Здесь мнимая плата может
быть приближена на меньшее расстояние к плате, чем расстояния,
которые могут разделять прямые и возвратные проводники на
печатной плате. Это уменьшает эффективную площадь излучения,
которая теперь определяется расстоянием между источником и
расположением образа, а не оригинальными сигнальными и
возвратными токами. С другой стороны, для хорошо спроектированной
платы, особенно с наличием плоскости заземления, добавление
мнимой плоскости даст малый эффект до тех пор, пока не имеется
значительных токов общего вида, протекающих по плате.
8.3.4.2 Печатные платы с соединительными кабелями
Другой эффект применения мнимой платы состоит в уменьшении
индуктивности трасс, включая трассы заземления, из-за взаимной
связи каждой трассы с ее образом. Это приводит к уменьшению
шумовых токов, развиваемых вдоль трасс, и приведет к снижению
помехоэмиссии из-за токов общего вида, которые инжектированы в
соединительные кабели (п. 5.2.1.2). Как и раньше, снижение
наиболее результативно, когда плата плохо спроектирована, так что
трассы заземления имеют высокую индуктивность; но даже в этом
случае уменьшение составляет несколько десятков процентов и
редко превышает 6 дБ.
Если вместо плавающего режима мнимая плата присоединяется
к трассе заземления на печатной плате в той же точке, что и
соединительный кабель, тогда имеется путь возврата для генерируемого
тока общего вида, и ток, проникающий в кабель, примерно равен
нулю. Это позволяет существенно снизить эмиссию. На практике,
все проводники в кабеле должны быть развязаны относительно этой
точки на частотах помехоэмиссии (кроме экранированных кабелей),
и поэтому обязательна установка конденсатора между каждой
сигнальной линией и землей интерфейса.
8.3.5 Конструкция экрана
Многие производители предлагают различные материалы для
повышения проводимости соединений проводящих панелей. Из
широко разрекламированных материалов, можно думать, что все, что
необходимо для решения проблемы ЭМС, имеется. Действительно,
такие материалы могут быть использованы, если они соответствуют
требованиям применения, но они должны быть применены с учетом
тех принципов, которые обсуждались выше. Стоимость материалов
остается последним аргументом по их применению. В дальнейшей
472
Интерфейсы, фильтрация и экранирование
перспективе необходимо будет учитывать требования Директивы
ЕС WEEE (EU's Waste Electrical&Electronic Equipment Directive),
которая предусматривает утилизацию продукции в конце ее
жизненного цикла. Это накладывает ограничения на применение такой
техники, как металлизация пластиков или использование
эластичных прокладок.
8.3.5.1 Эластичные и пружинные прокладки
Эффективность экранирования может быть улучшена
уменьшением расстояния между точками крепления отдельных панелей.
Если необходима высокая эффективность на частотах выше 1 ГГц,
тогда необходимое расстояние становится нереалистично малым для
условий монтажа и сборки. В этом случае параметры проводящего
пути между двумя панелями или фланцами могут быть улучшены
использованием различных вариантов проводящих прокладок,
плетеных проволочных сеток или пружинных лент, которые имеются
г-
а) прокладка из проводящего
эластомера
альтернативная форма прокладки
плетенная проволочная
сетка или спиральная
/ металлическая сетка
непроводящий
эластомер
приклеивание,
сварка или пайка
зажим
Ь) пружинные ленты из
бериллиевой бронзы
I самозачищающийся контакт
Рис. 8.43 Использование прокладок и пружинных лент
ЭМС для разработчиков продукции 473
на рынке. Эти компоненты предназначены для установки
посередине между соприкасающимися поверхностями для гарантированного
контакта через соединение, так что ток экрана не меняет
направление (рис. 8.43). Их эффективность полностью зависит от того, как
хорошо будут согласованы в точке контакта полные сопротивления
соединяемых материалов.
Необходимо иметь в виду ряд факторов, которые влияют на
выбор прокладок или пружинных лент:
• проводимость: она должна быть такой же, как и материал
панели;
• легкость монтажа; прокладки должны легко устанавливаться
в пазах, полученных механической обработкой или при литье
кожухов, и иметь размеры, которые позволяют выдерживать
контактные усилия без недопустимых деформаций и
перенапряжений. Пружинные прокладки устанавливаются при
помощи клеевого слоя, сварки, пайки и т.п. Выбор метода
непосредственно зависит от контактного давления;
• гальваническая совместимость с соединяемыми материалами:
для уменьшения коррозии металл прокладки и корпуса
должны быть близки и предпочтительно одной группы в
электрохимическом ряду (табл. 8.3). Материал корпуса должен быть
проводящим после финишной обработки — никель или олово
для стали;
• характеристики стойкости к внешним климатическим
воздействиям: проводящие эластомеры часто предназначены для
комбинированной электрической и климатической защиты, но
могут быть эффективны для защиты от пыли, плесени, влаги и
тепла. Если прокладки выбираются раздельно для повышения
проводимости и для защиты от воздействия окружающей
среды, проводящая прокладка должна быть расположена внутри
по отношению к защитной прокладке, а также внутри
относительно болтового соединения.
8.3.5.2 Проводящие покрытия
Значительные объемы электронной продукции выпускаются по
эстетическим или экономическим соображениям в пластмассовых
корпусах. За счет нанесения покрытий на одной или двух сторонах
стенок корпуса может быть обеспечена определенная степень
экранирования аппаратуры [36],[ПО]. Обычно это касается поставщиков
отливок и поставщиков покрытий. Возможно использование компо-
474
Интерфейсы, фильтрация и экранирование
зиционных пластиков с проводящим наполнителем для получения
определенной степени экранирования (около 20 дБ); это является
предметом обсуждения — применять ли дорогостоящие материалы
для получения хорошего экранирования или применить
проводящее покрытие для снижения стоимости [41]. Проводящие
наполнители влияют на механические и эстетические свойства пластиков,
но их главное преимущество заключается в отсутствии
необходимости дополнительной обработки отливок. Другая проблема состоит в
«замасливании» поверхностей отливок, которые при этом
становятся непроводящими, и проводимость через прокладки и соединения
становится нестабильной. Как перспективное направление можно
рассматривать применение металлизированной ткани, которая
может быть включена в элементы конструкции.
Таблица 8.3 Электрохимический ряд
Анод — наиболее легко коррозирует
Группа 1
Магний
Группа II
Алюминий и сплавы
Цинк
Хром
Гальваническое железо
Группа III
Углеродистая сталь
Железо
Кадмий
Группа IV
Никель
Олово, припой
Свинец
Бронза
Нержавеющая сталь
Группа V
Медь и
сплавы
Серебро
Палладий
Платина
Золото
Катод — менее легко коррозирует
Коррозия происходит, когда ионы движутся от более анодного металла к более катодному,
чему способствует электролитическая среда, такая как пыль или соль
Характеристики экранирования
Определенные размерные условия применяются к отверстиям
и прокладкам так же, как для металлического экрана;
дополнительным фактором являются любые царапины или трещины на
покрытии, которые проявляют себя как отверстия и снижают
эффективность экранирования. Тонкое покрытие будет достаточно
эффективно при электрическом поле на высоких частотах
аналогично металлическому корпусу, но не эффективно против магнитных
полей. Основной механизм экранирования состоит в отражении
электрического поля (рис. 8.33, Л£), поскольку поглощение
пренебрежимо мало, исключая высокие частоты, и переотражения (В)
будут стремиться к снижению общих потерь отражения. Высокое
сопротивление покрытия снижает его эффективность. По этой при*
ЭМС для разработчиков продукции
475
чине проводящие краски, которые имеют проводимость около 1 Ом/
квадрат, экранируют хуже, чем различные типы металлизации (см.
табл. 8.4), которые имеют сопротивление ниже 0,1 Ом/квадрат.
Таблица 8.4 Сравнение проводящих покрытий
Проводящая
краска
(никель,
медь)
Горячее
распыление
(цинк)
литическое
осаждение
(медь,
никель)
Вакуумная
металлизация
(алюминий)
Стоимость,
фунт
стерл /м2
5—15
5 — 10
10—15
10-15
Экранирование
электрического
поля
слабое/
среднее
среднее/
хорошее
среднее/
хорошее
среднее
Толщина
0,05 мм
0,1
— 0,15
мм
1-2
мкм
2-5
мкм
Адгезия
плохая
зависит
от
подготовки
поверхности
хорошая
зависит
от
подготовки
поверхности
тивляемость
царапанью
плохая
хорошая
плохая
плохая
Маски-
руе-
мость
да
да
нет
да
Примечания
пригодно
для
прототипов
неровные
поверхности,
несовместимы
дешево,
если
поверхность
очищена
плохая
стойкость
к
воздействию
окружающей среды
Проектирование корпуса
Сопротивление будет зависеть от толщины покрытия, которая, в
свою очередь, зависит от таких факторов, как форма и конфигурация
стенок отливок. Покрытие будет хуже наноситься и лучше
отслаиваться на заостренных поверхностях, чем на скругленных. Ребра,
перегородки и другие подобные элементы конструкции, типичные
для большинства корпусов, делают затруднительным нанесения
покрытия распылением (например, проводящие краски или горячее
распыление цинка) и предпочтение следует отдавать методу
электролитического осаждения покрытия. Там, где покрытие должно
наноситься на такие детали, конструкция отливки должна включать
скругления больших радиусов, отсутствие острых углов, должны
быть обеспечены соответствующие расстояния между ребрами, не
должно быть глубоких и узких щелей.
476 Интерфейсы, фильтрация и экранирование
Свойства покрытий
Факторы окружающей среды, особенно сопротивление изнаши
ваяию и адгезия, являются критическими в выборе правильного по
крытия. Основными условиями обеспечения качества являются:
• будут ли продукты шелушения покрытия или чешуйки попа
дать на электрическую схему,
• будет ли эффективность экранирования совпадать от узла i
узлу,
• будет ли эффективность экранирования за счет покрытия со
хранять стабильность на всем времени жизни изделия.
Адгезия является функцией термических и механических на
пряжений и проверяется неразрушающими (при помощи ленты) i
разрушающими (при помощи перекрывающихся штрихов) тестами
Обычно удаление какого-либо фрагмента покрытия — немедленны!
результат теста с использованием ленты. При проведении испы
таний на термические циклические нагрузки и влажность поел
проведения теста с перекрывающимися штрихами осыпавшиеся
чешуйки не должны превышать 15% от общей площади покрытия.
Электрические свойства не должны изменяться после повторяю
щихся циклов температура/влажность внутри параметров, согла
сованных с поставщиками отливок и покрытий. Измерения сопро
тивления должны быть проведены на самом большом расстояние
тестовых зон и на поверхностях, которые критически к качеству
экранирования, особенно в точках сопряжения и заземления.
В таблице 8.4 приведено сравнение наиболее типичных широко
применяемых проводящих покрытий (другие варианты так же
применимы, но более дороги и имеют ограниченные приложения). Они
обеспечивают при правильном применении эффективность
экранирования в диапазоне 30 — 70 дБ. Трудно сравнивать данные по
эффективности экранирования, полученные от разных
производителей, пока они не дадут точных описаний соответствующих методов
тестирования; различные методы дают несопоставимые результаты.
Кроме этого, лабораторные методы тестирования не имеют
необходимой корреляции с параметрами практического применения
корпусов в коммерческих продуктах.
Наконец, следует быть уверенным, что, если применяется
проводящее покрытие на уже готовое изделие, то это не принесет ущерба
требованиям безопасности. Особенно важны следующие
требования:
ЭМС для разработчиков продукции
477
• стабильность адгезии покрытия — гарантирует, как
отмечалось выше, что не образуются чешуйки, которые могут
привести к нарушению изоляции или вызвать замыкание;
• действие покрытия на сопротивляемость воспламенению
материала корпуса;
• действие на ползучесть и размеры зазоров, отвечающих
требованиям безопасности. Проводящие покрытия могут ухудшить
изоляцию между защищаемыми частями и частями, опасными
для жизни, за счет новых проводящих путей.
8.3.6 Стандартизация эффективности экранирования
корпусов
Последние стандарты серии МЭК 61000 публикуют метод для
обозначения эффективности экранирования коммерческих
корпусов, подобно обозначениям Щ применяемым при обозначении
степени защиты от окружающей среды. МЭК 61000-5-7 [150]
определяет степени «ЕМ», в которых указатель ЕМ ABCDEF определяет
характеристики экранирования в каждом из шести частотных
диапазонов. В таблице 8.5 даны значения каждого из этих обозначений.
Стандарт также определяет методы тестирования эффективности
экранирования, применимые для каждого частотного диапазона.
Будет интересно, насколько станет популярным эта маркировка в
будущем.
Таблица 8.5 Коды экранирования по МЭК 61000-5-7
Диапазон частот
10 кГц-100 кГц
100кГц-1МГц
1 МГц - 30 МГц
30 МГц - 1 ГГц
1 ГГц-10 ГГц
10 ГГц-40 ГГц
Указатель
экранирования
А
В
С
D
Е
F
Характеристики
экранирования, дБ
<10
>10
2=20
>30
2:40
>50
>ео
>70
S80
>100
Значение указателя
X
0
1
2
3
4 ,
5
6
7 1
8
9
Пример: ЕМ66644х обеспечивает эффективность экранирования
60 дВ от 10 кГц до 30 МГц, и 40 дВ от 30 МГц до 10 ГГц.
Глава S
Менеджмент в области ЭМС
9.1 Управление процессом обеспечения ЭМС
Осуществление в производственной компании стратегии соответ
ствия требованиям ЭМС представляет собой нечто большее, чем про
сто обеспечение создания конструкторами таких изделий, которъг
удовлетворяют требованиям стандартов ЭМС, хотя это и является
первым шагом в нужном направлении. Для того чтобы деятельностз
компании была эффективной, осведомленность по вопросам электро
магнитной совместимости, подобно осведомленности по вопроса*
качества и безопасности продукции, должна быть распространен,
вертикально и горизонтально во всех структурах компании. Эт»
означает, что каждое подразделение компании должно знать, ка
кова его роль в поддержании соответствия продукции требования*
ЭМС и с чем это связано. В особой степени это положение применим<
к отделам снабжения, производства и установки.
Это также означает, что коммерческие и управленческие реше
ния, влияющие на ЭМС, должны приниматься в условиях столь ж<
полной осведомленности. Подходящими примерами в этом смысле
являются решения, касающиеся вложения средств в оборудование
и установки для испытаний в области ЭМС, решения, относящиеся в
сбыту продукции с учетом технических характеристик и
жизненного цикла конкретных изделий, а также решения о том, стоит ли
приступать к реализации изделий, соответствие которых требованиям
ЭМС обеспечено без какого-либо запаса, или изделий, соответствие
которых требованиям ЭМС не обеспечено в полной мере. Назначение
«специалиста по ЭМС» и возложение на него ответственности за
решение подобных вопросов, несомненно, является лучшим способом
управления процессом обеспечения ЭМС, чем полное отсутствие
координированной политики в этой области, но это назначение следует
рассматривать лишь как первый этап на пути к полной
осведомленности по вопросам ЭМС во всех структурах компании.
9.1.1 Введение мероприятий по обеспечению ЭМС в
деятельность компании
Известно, что большинство изделий являются объектами
применения ряда технических требований, относящихся к устойчивости к
ЭМС для разработчиков продукции 479
внешним воздействующим факторам и к безопасности. Эти
требования частично установлены в действующих законодательных актах
и частично применяются самими изготовителями для обеспечения
«пригодности» изделия к использованию. Указанные требования
связаны с такими факторами, как пределы изменения
температуры и относительной влажности воздуха, применительно к которым
должно функционировать изделие, с эргономическими аспектами,
а также с необходимостью контроля опасности при использовании
изделия (например, опасности теплового нагрева или поражения
электрическим током). Требования ЭМС лучше всего рассматривать
в качестве одного из видов вышеуказанных требований.
Очевидно, что устойчивость к внешним электромагнитным
помехам представляет собой устойчивость к внешним воздействующим
факторам. Изделие должно надежно функционировать в той среде,
для применения в которой изделие предназначено, и если факторы
этой среды включают электромагнитные помехи, то устойчивость к
электромагнитным помехам должна быть предусмотрена при
установлении требований, относящихся к внешним воздействующим
факторам. Одна из функций стандартов ЭМС в области устойчивости
к электромагнитным помехам состоит именно в том, что они служат
определенным руководством при обосновании требований,
относящихся к внешним электромагнитным воздействиям. Контроль
эмиссии электромагнитных помех более правильно рассматривать
как выполнение некоторых установленных обязательных
предписаний, если только указанная эмиссия не имеет «внутрисистемного
аспекта», т.е. если создаваемые изделием электромагнитные помехи
не оказывают воздействия на нормальное функционирование всей
системы или установки.
Популяризация вопросов ЭМС в компании
Для того чтобы управленческий персонал повсюду в компании
включился в процесс обеспечения ЭМС, он должен быть убежден
в том, что соответствие требованиям ЭМС «имеет значительную
цену». Поэтому в первую очередь необходимо, чтобы для всех
стало совершенно ясным влияние нового законодательства в
области ЭМС на деятельность компании. Помимо этого вы можете
выявить связанное с проблемами ЭМС давление, оказываемое на
компанию заказчиками, конкурирующими фирмами и органами,
участвующими в качестве третьей стороны в выполнении процедур
подтверждения соответствия, и использовать факты наличия
указанного давления для доказательства необходимости предпринять
480 Менеджмент в области ЭМ<
усилия для управления процессом обеспечения ЭМС. Следует так»
постоянно подчеркивать связь между соответствием требования
ЭМС и качеством продукции.
На пути к широкому признанию значимости мероприятий г
обеспечению ЭМС имеются две специфические трудности [36]. Од!=
из них заключается в явном незнании вопросов обеспечения ЭМ
сообществом современных конструкторов, которые избегают npi
менять аналоговую технику, отдавая преимущество цифровой. Вт<
рая трудность состоит в том, что выполнение требований ЭМС чап
воспринимается как необходимость расходования дополнительны
средств, чем как возможность получения прибыли. Эти трудност
могут быть преодолены путем представления заинтересованны
специалистам компании подробных сведений о том, какие мерс
приятия по обеспечению ЭМС могут быть проведены применител]
но к некоторому известному всем конкретному изделию. Передав
практического опыта представляет собой эффективный способ об1
чения. Кроме того, документирование и распространение информ.
ции, полученной при решении задач обеспечения ЭМС некоторог
конкретного разрабатываемого изделия, позволят исключить рис
появления в компании нескольких «гуру» в области ЭМС, что
долговременной перспективе не принесет пользы ни компании, н
ее инженерам. Именно документированные решения проблем ЭМС
а вовсе не фиксируемые неудачи создают в группе конструкторо
положительное отношение к обеспечению ЭМС, которое может быт
выражено формулой «в следующий раз будет сделано, как надо».
Стоимость и затраты времени
Обращение к вопросам обеспечения ЭМС на ранней стадии разра
ботки изделия позволяет легче решить эти вопросы и является боле<
эффективным по стоимости, чем следование принципу «подождеь
и посмотрим». На ранних стадиях разработки изделий конструкто
ры в наибольшей степени свободны в выборе способов обеспечение
ЭМС. Например, вопросы компоновки оборудования и размещение
элементов схем, как правило, не связаны с многочисленными огра
ничениями. Однако по мере того, как процесс конструирования из
делия приближается к стадии производства, внесение каких-либс
изменений становится все более трудным и дорогостоящим. В ре
зультате проблемы с эмиссией излучаемых радиопомех, которые на
ранней стадии конструирования могли быть решены за счет
обоснованного размещения элементов печатных плат, вынуждают вносить
изменения в компоновку оборудования и интерфейсы.
ЭМС для разработчиков продукции 481
Ключом к эффективному с точки зрения стоимости решению
проблем ЭМС является непрерывное распространение среди
конструкторов, разрабатывающих схемы и компонующих изделия,
понимания того, какие способы конструирования с учетом требований ЭМС
и какие практические приемы отыскания и устранения имеющихся
в изделии несоответствий требованиям ЭМС являются
эффективными. Рынок будет устанавливать максимальный предел допустимого
увеличения стоимости изделия за счет обеспечения ЭМС, так что вы
всегда будете вынуждены принять стратегию разработки при
минимальной стоимости.
Критическим фактором при разработке изделий является не
только общая стоимость разработки, но также и затраты времени.
Для многих видов продукции сроки проведения маркетинговых
операций могут быть ограничены короткими периодами, так что
потери времени при размещении изделий на рынке приводят к
потерям при их сбыте и к меньшей прибыли. Если требования ЭМС
при разработке продукции длительное время игнорируются, это,
несомненно, окажет отрицательное влияние на сроки готовности
изделий к реализации на рынке. Каждая испытательная
лаборатория ЭМС имеет длинный печальный перечень компаний, которые с
оптимизмом доставляли свои изделия для проведения испытаний
в день, предшествующий их намечаемому размещению на рынке и
убеждались, что изделия не удовлетворяют требованиям ЭМС.
Для того чтобы предотвратить такое положение, необходимо
выполнить два условия. Во-первых, необходимо обеспечить, чтобы
требования ЭМС рассматривались в компании, как часть комплекта
обязательных технических требований к продукции, что, в свою
очередь, должно привести к тому, что выполнению этих требований
будет уделено необходимое внимание с самого начала проекта. Во-
вторых, необходимо осуществлять слежение за параметрами ЭМС
разрабатываемого изделия в течение всего цикла конструирования
таким образом, чтобы исключить возможность слишком позднего
обнаружения сюрпризов, относящихся к несоответствию
требованиям ЭМС. Благоразумно также исходить из необходимости
проведения хотя бы одного полного цикла испытаний изделия — ведь
даже когда конструкторы придерживаются всех принципов
конструирования с учетом требований ЭМС, вероятность соответствия
разработанного изделия требованиям ЭМС составляет лишь около
80%, — и предусмотреть проведение этих испытаний в графике
разработки изделия.
1Л ЭмаяЯИШ
482 Менеджмент в области ЭМС
9.1.2 Координатор по вопросам ЭМС
Типичным первым шагом для компании, вводящей политик?
управления процессом обеспечения ЭМС, является назначение «ко
ординатора по вопросам ЭМС». Для исполнения этих обязанностей
часто заочно выделяется инженер конструкторской группы, обла
дающий большим, в сравнении с другими инженерами, объемот
знаний в области конструирования и проведения измерений пр
высоких частотах, хотя эти обязанности могут рассматриваться
как соответствующие деятельности инженера группы обеспечени
качества. Важность задач, решаемых координатором по вопроса]
ЭМС, должна быть в должной степени оценена, и полномочия, деле
тированные указанному специалисту, должны быть достаточным
для того, чтобы принимать решения по всем вопросам, которые мс
гут возникать.
Особого внимания заслуживает проведение строгого различи
между инженерными решениями* и коммерческими или праве
выми решениями **. Если принятие решений, касающихся комме]
ческих или правовых вопросов, также отнесено к ответственност
координатора по вопросам ЭМС, то его функции должны ясно пpe^
усматривать делегирование коммерческих или правовых полномс
чий и объем его знаний должен соответствовать этой ответстве!
ности [120].
Проведение индивидуального проекта через трудности, связа!
ные с обеспечением соответствия требованиям ЭМС, может (при тщ*
тельном выполнении работ) потребовать затрат, составляющих от 1
до 20% общей стоимости разработки изделия. Поэтому на каждь,
5 — 10 работающих инженеров, занятых конструированием, след?
ет иметь одного инженера ЭМС. Для компаний, имеющих болынк
конструкторские отделы и обширную номенклатуру разрабатывас
мых изделий, оправдано создание отдельного подразделения ЭМ
(возможно, объединенного с подразделением обеспечения качества
Напротив, для небольших компаний работы по обеспечению«соо'
ветствия изделия требованиям ЭМС могут быть наилучшим образо
выполнены путем приглашения консультанта. К некоторым из вь
полняемых им функций могут быть отнесены:
• наблюдение за процессом конструирования и предоставлен?
консультаций;
* «У нас уровень помех на 2дБ ниже нормы, а запас на неопределенность измерена
должен составлять 6дБ, следовательно, мы не можем отгружать это изделие».
** «У нас уровень помех на 2дБ ниже нормы, нам необходимо представить проду
цию на рынок, и мы, естественно, можем отгружать это изделие».
ЭМС для разработчиков продукции 483
• интерпретация требований стандартов ЭМС,
распространяющихся на технические средства конкретного вида,
применительно к номенклатуре изделий, разрабатываемых компанией;
• разработка плана обеспечения ЭМС, плана испытаний и
соответствующих временных графиков;
• контроль и визирование инженерных решений, связанных с
обеспечением ЭМС;
• взаимодействие со всеми подразделениями по вопросам
обеспечения ЭМС;
• актуализация знаний, относящихся к конструированию
изделий с учетом требований ЭМС.
Обсуждения конструкций
Обсуждения конструкции, выполняемые на каждой стадии
разработки изделия, могут обеспечить необходимый контроль за
процессом обеспечения ЭМС. При их проведении решения,
касающиеся ЭМС, принятые конструкторами конкретного изделия,
подвергаются детальному обсуждению другими конструкторами, не
привлеченными к разработке этого проекта, и при этом достигается
согласованное мнение в отношении обоснованности каждого
аспекта конструирования. Обсуждения конструкции следует считать
основными вехами процесса конструирования и прогресс на
последующей стадии разработки должен быть обусловлен успешными
результатами каждого обсуждения. Обсуждения конструкции,
основанные на внутренней дисциплине конструкторского отдела,
представляют собой формальный метод проверки всех аспектов ЭМС
(а также других, например, аспектов безопасности), применимый в
течение всего процесса разработки изделия. Следует иметь в виду и
еще одно их скрытое достоинство — повестки совещаний по
обсуждению конструкций являются (в случае, когда правильность
заявления о соответствии оспаривается) убедительным свидетельством
того факта, что в компании предпринимались усилия для решения
проблем ЭМС.
Естественно, что координатор компании по вопросам ЭМС
должен присутствовать при каждом обсуждении конструкции и
визировать документы обсуждения. Его обязанностью является анализ
каждого конструктивного решения, которое может оказать влияние
на характеристики ЭМС разрабатываемого изделия.
Группа разработчиков изделия не может (и это действительно
так) абсолютно отрого оледовать правилам конструирования, учи-
10*
484 Менеджмент в области ЭМС
тывающим требования ЭМС, потому что в большинстве случаев этс
приводит к излишнему возрастанию стоимости разработки. Но есл*
возникли проблемы, связанные с обеспечением ЭМС, конструкто!
должен не только понимать их причины, но также быть в состоянш
предпринять шаги, необходимые для исключения этих проблем
конструкции последующего изделия.
Осведомленность или процедуры
Ответственность за обеспечение ЭМС распространяется не тольк
на разработку и изготовление продукции, но и на другие облает
деятельности компании. Оборудование значительных размеро
и распределенные системы собираются (монтируются) на мест
эксплуатации или рядом с местом эксплуатации специалистам
по сборке, установке и монтажу. Эксплуатируемое оборудовани
обслуживается и ремонтируется специалистами по обслуживани]
и ремонту. Специалисты, входящие в каждую из этих групп, буду
либо нуждаться в знаниях вопросов обеспечения ЭМС, причем неоС
ходимый уровень этих знаний может приближаться к уровню зт
ний, которыми обладают инженеры-конструкторы, либо должнз
будут при решении вопросов ЭМС следовать строго контролируемы
процедурам.
Подобно этому характеристики ЭМС продукции могут оказыват
влияние и на деятельность группы снабжения. Поставляемые фирм
компоненты и субсборки должны удовлетворять требованиям ЭМС
поскольку они могут оказывать влияние на характеристики ЭМ1
конечного изделия. Поэтому менеджеры по поставкам должны быт
осведомлены об их ответственности в вопросах ЭМС, для чего дол*
на быть проведена их соответствующая подготовка. Спецификаци
на изделия, поставляемые компанией, должны включать раздель
содержащие требования ЭМС.
Во всех случаях, указанных выше, и в других случаях коорд?
натор по вопросам ЭМС должен определить баланс между осведозу
ленностью специалистов по вопросам ЭМС и применением строг
контролируемых процедур.
9.2 План обеспечения ЭМС
9.2.1 Цель подготовки плана обеспечения ЭМС
План обеспечения ЭМС представляет собой документ, являющий
ся частью технической документации, применяемой при разработк
нового изделия, который устанавливает перечень мероприятий
ЭМС для разработчиков продукции 485
метод, позволяющий определить, какие работы должны быть
выполнены для обеспечения соответствия изделия требованиям ЭМС.
Некоторые проекты, относящиеся к продукции военного или
аэрокосмического назначения, требуют, чтобы указанный план был
подготовлен как часть документации, представляемой при проведении
торгов. Но даже если этот документ и не входит в состав
документации контракта, использование конструкторской группой
детального плана, устанавливающего, какие мероприятия должны быть
выполнены и в какое время, позволяет упорядочить процесс работы
и получить преимущество при окончании стадии разработки, когда
характеристики ЭМС изделия должны быть оценены. При
отсутствии указанного упорядочения процесса работы конструкторской
группы, характеристики ЭМС слишком часто превращаются в
ахиллесову пяту изделия. Если процесс конструирования
соответствующим образом регламентирован, введение плана обеспечения ЭМС не
будет слишком сложным.
Ответственность за обеспечение ЭМС может быть возложена
на координатора по вопросам ЭМС или на одного из специалистов
конструкторской группы. В их задачу входит подготовка плана
обеспечения ЭМС и определение критериев качества
функционирования изделия при испытаниях. При этом основное значение имеет
знание требований соответствующих стандартов ЭМС и методов
испытаний, применяемых для изделия. Подготовленный таким
образом план обеспечения ЭМС приводит к возникновению
сильного «чувства собственности» в отношении аспектов обеспечения
ЭМС конкретного изделия. Если необходимо провести экспертизу
проводимых в компании мероприятий по обеспечению ЭМС, такой
план может оказаться неэффективным. В этом случае руководство
компании может создать отдельную группу контроля ЭМС, которая
осуществляет надзор за процессом обеспечения ЭМС всех
разрабатываемых изделий путем проведения внутренних обсуждений.
Хотя такой подход позволяет компании организовать эффективную
экспертизу специальных вопросов ЭМС, его результатом могут быть
трения между конструкторской группой и инженерами группы
контроля ЭМС, что в конечном счете может и не привести к
оптимальным решениям для конкретной продукции.
Следует учитывать, что соответствующим образом
детализированный и документированный план обеспечения ЭМС образует
полезную и значительную по объему часть Технического файла
конструкции (раздел 1.8.2), если для подтверждения соответствия
выбран именно •тот опоооб. Если вы применяете способ самосер-
486 Менеджмент в области ЭМС
тификации, то план обеспечения ЭМС является эффективным
доказательством соответствия изделия требованиям ЭМС, если ваша
Декларация о соответствии тем не менее оспаривается.
9.2.2 Содержание
План обеспечения ЭМС может состоять из двух главных
разделов. В одном из них определяются возможные опасности, связанные
с воздействием электромагнитных помех, и указываются
эффективные способы конструирования, которые должны быть применены
при разработке изделия. Во втором разделе определяется порядок
проведения обсуждений конструкции и устанавливаются контроль
ные стадии. Содержание плана обеспечения ЭМС приведено ниже.
1. Определение электромагнитных помех
Определение электромагнитных помех, которые должны учиты
ваться, каталог вероятных источников и рецепторов помех, специ
альные аспекты ЭМС, связанные с местами размещения и особенно
стями установки изделий.
2. Практика конструирования
Этот раздел может быть подготовлен с учетом сведений о раз
личных методах управления параметрами ЭМС, рассмотренных i
главах 6 и 7 настоящей книги. Приводимые в разделе рекомендацш
должны быть в максимально возможной степени детализированы
учитывая, что уже известно о конструкции изделия
• способ заземления, включая карту заземления;
• управление и расположение интерфейсов;
• использование экранированных соединителей и кабелей;
• размещение элементов печатных плат;
• конструирование схем;
• выбор системы электропитания;
• фильтрация в портах электропитания;
• фильтрация и изоляция в сигнальных портах;
• компоновка изделия, включая экранирование.
3. Менеджмент проекта
Обязательные обсуждения конструкции в части ЭМС, контроль
ные стадии, и контрольные пункты и ответственные за проведение
функций проверки. Эти вопросы в обычных условиях могут был
ЭМС для разработчиков продукции 487
включены в общую схему менеджмента проекта, однако выделение
функций менеджмента, связанных с ЭМС, будет полезным.
• Предварительное обсуждение конструкции;
• испытания конструкции;
• детальное обсуждение конструкции;
• предсертификационные конфиденциальные испытания;
• окончательное обсуждение конструкции;
• испытания на соответствие или сертификация;
• ответственность за подготовку декларации о соответствии;
■ обеспечение качества продукции в процессе производства.
9.3 План испытаний в области ЭМС
9.3.1 Необходимость плана испытаний
План испытаний в области ЭМС представляет собой
существенную часть технической документации, применяемой при
разработке нового изделия. Он содержит сведения, на основе которых могут
быть определены стадии разработки и подготовки изделия к
производству, обеспечивающие достижение соответствия требованиям
ЭМС при минимальных затратах. Он может быть использован в
качестве плана-графика проведения испытаний в испытательной
лаборатории компании, а также в качестве основного документа
при составлении контракта с внешней испытательной
лабораторией ЭМС. Хотя план испытаний в области ЭМС следует подготовить
в кратчайший срок после того, как началась реализация проекта,
указанный документ будет, как правило, нуждаться в изменениях в
ходе разработки изделия, особенно учитывая реальные результаты
испытаний в области ЭМС прототипа изделия.
Процесс разработки изделий всегда связан с принятием
определенных компромиссных решений, и роль испытаний в области ЭМС,
проводимых в ходе разработки, заключается именно в том, чтобы
идентифицировать те области, где указанные решения являются
наиболее критическими. Одним из важных результатов
проведения испытаний в ходе разработки изделия является возможность
следить эа тем, как характеристики ЭМС влияют на процесс
принимаемых конструктивных решений, что является наиболее
эффективным способом подготовки специалистов ЭМС. Другой важный
результат заключается ■ том, что проведение предварительных
испытаний помоямт оформкромтъ базу данных, содержащую сведе-
488 Менеджмент в области ЭМС
ния о том, как изменяются характеристики изделий в зависимости
от тех или иных решений, относящихся к ЭМС. Указанная база
данных становится позже важнейшим источником сведений, необходи
мых для оценки влияния на изделие конструктивных изменений
осуществляемых в процессе серийного производства.
9.3.2 Содержание
1. Описание испытуемого оборудования
Основные сведения об ИО должны включать номер модели и све
дения о тех вариантах изделия (при их наличии), которые должнь
быть испытаны как устройства, относящиеся к общей модели •
указанным номером.
• является ли ИО отдельно применяемым устройством или вхо
дит как составная часть в систему?
Если ИО должно быть испытано как отдельно применяемо
устройство, дополнительная информация не требуется. Если Ш
может быть испытано только как составная часть системы, тл
представляет собой, например, выдвижной модуль или периферии
ное устройство компьютера, должны быть приведены сведения о>
элементах системы, частью которой является ИО. Необходим!
также принять меры к тому, чтобы результаты испытаний н
были поставлены под сомнение в случае, когда некоторые из ука
занных элементов системы окажутся не соответствующим}
требованиям ЭМС.
• конфигурация системы и критерии для ее определения
Применительно к случаю, рассмотренному в предыдущем пере
числении, когда ИО может представлять собой часть системь
или установки, которая включает значительное число других эле
ментов, вам необходимо установить представительную конфигу
рацию системы, которая позволит вам осуществить испытания
Критерий, в соответствии с которым осуществляется выбор ука
зонной конфигурации, т.е. обоснование вашего решения о том* чт<
выбранная конфигурация является именно «представительной»
должен быть ясным.
• состояние конструкции изделия при проверках и допустимы!
изменения состояния конструкции при проверках до/с нача
лом испытаний
В период разработки изделия для вас будет представлять инте
рее проведение некоторых доверительных испытаний. Состояни-
ЭМС для разработчиков продукции 489
конструкции изделия при проведении испытаний на этой стадии
должно быть тщательно установлено. С этой целью текущие
изменения конструкции изделия должны фиксироваться, даже
если требования к состоянию конструкции изделий при проверках
официально не установлены. После того как процесс разработки
достигает стадии подтверждения соответствия, испытания
должны проводиться на образце изделия, который сертифицирован
как устройство, состояние конструкции которого соответствует
требованиям к проведению испытаний на соответствие и
который должен быть таким же, как и изделия, которые размещаются
на рынке.
2. Заявление о целях испытаний
Очевидно, что вам необходимо будет установить, для чего
должны будут проведены испытания в области ЭМС, включая:
• проверку соответствия требованиям стандартов,
предусмотренных законодательными актами (Директива ЭМС,
сертификация на соответствие Правилам ФКС)
В связи с необходимостью получить законное разрешение для
размещения изделий на рынке
• проверку соответствия требованиям добровольных стандартов
Для повышения конкурентоспособности изделий
• проверку соответствия обязательствам, предусмотренным
контрактом
В связи с тем, что характеристики ЭМС были установлены
контрактом на поставку оборудования или системы
3. Проводимые испытания
• полосы частот и уровни напряжений при испытаниях
Полосы частот и уровни напряжений установлены в стандарте
(стандартах) ЭМС, выбранном вами. В случае, когда вы не
применяете стандарты, или ужесточаете, или смягчаете требования
стандартов, об этом должно быть ясно указано.
• используемые средства испытаний и испытательные
установки
Требования к средствам испытаний установлены в
применяемом стандарте (стандартах) ЭМС. В некоторых стандартах
установлены специфические требования к средствам испытаний,
например в СИСПР 16. Если вы предусматриваете проводить
испытания во шнфшнфп испытательной лаборатории, то определить
490 Менеджмент в области ЭМС
состав оборудования, необходимого для проведения требуемых
испытаний, должна будет указанная испытательная лаборатория.
Если испытания осуществляются в вашей компании, то вы несете
ответственность за выбор средств испытаний.
• местоположение испытательных точек
Общее время испытаний непосредственно зависит от числа
линий или портов (определение понятия «порт» включает так
же порт корпуса), подлежащих испытаниям. Линии, подлежащие
испытаниям, могут быть определены в соответствии с выбран
ным стандартом (стандартами) ЭМС. В некоторых случаях
вы можете провести испытания лишь одной представительной
линии и утверждать, что результаты испытаний справедливы
для всех линий этого вида. Поскольку выбор точек испытаний мо
жет иметь критическое значение, особенно в случае воздействие
электростатическими разрядами, их расположение должно бытх
установлено.
• режимы функционирования ИО
Если возможны несколько различных режимов функционирова
ния, вы должны быть в состоянии идентифицировать наихудшиЬ
(применительно к обеспечению ЭМС) режим, обеспечивающий со
ответствующие профили помехоэмиссии и помехоустойчивости
Для этого, вероятно, потребуется осуществление некоторые
исследовательских испытаний, что имеет непосредственное от
ношение к общему времени испытаний. Периодичность подачь
электромагнитных помех на ИО при осуществлении испытании
на помехоустойчивость или проведения измерений помехоэмиссиь
зависит также от длительности рабочего цикла при выбранном
режиме функционирования.
• Перечень испытаний, включая последовательность проведения
испытаний и режимы функционирования ИО
Независимо от того, имеет (или не имеет) критическое значе
ние порядок, в котором осуществляются испытания и последова
тельность применяемых при испытаниях режимов функциониро
вания, они должны быть установлены.
4. Критерии определения местоположения точек наблюдения
или инжекции
Важно, чтобы как вы, так и впоследствии любой представи
тель контролирующей структуры, осуществляющей оценку со
ответствия, знали, почему для проведения испытаний выбрано
ЭМС для разработчиков продукции 491
конкретная точка ИО. Указанные точки часто установлены в
выбранном стандарте (стандартах) ЭМС, включая, например,
кабель электропитания при проведении измерений кондуктивной по-
мехоэмиссии. Но, например, выбор испытательных точек для
воздействия электростатическими разрядами, должен быть основан
на оценке вероятного применения изделия и (или) на результатах
предварительных испытаний с целью определения точек
восприимчивости.
5. Описание специального программного обеспечения ИО,
применяемого при испытаниях, а также любого
вспомогательного оборудования или имитаторов
При проведении испытаний может быть полезным применение
специального программного обеспечения, обеспечивающего полный
просмотр всех режимов функционирования ИО. Если ИО не
является отдельно применяемым устройством, для проведения
испытаний необходимо определенное вспомогательное оборудование.
Указанное оборудование должно быть калибровано, или его
пригодность для проведения испытаний должна быть декларирована.
Если вспомогательное оборудование размещается в отдельном
помещении, оно может быть связано с ИО кабелями, оборудованными
фильтрами, предназначенными для уменьшения нежелательной
эмиссии помех и изоляции вспомогательного оборудования от
помех, воздействующих на ИО. Требования к указанным фильтрам
должны быть установлены.
6. Требования, относящиеся к испытательным установкам,
включая
• условия окружающей обстановки
Специальные требования, касающиеся температуры
окружающего воздуха, влажности воздуха, вибрации и т.д.
• необходимые меры предосторожности
Меры предосторожности, если ИО использует ионизирующее
излучение или высокое напряжение, является опасно тяжелым или
характеризуется повышенным нагревом, а также в случаях, когда
при испытаниях применяются высокие напряжения или
излучаемое электромагнитное поле.
• специальное оборудование для перемещения и обеспечения
функционирования ИО
492 Менеджмент в области ЭМС
Грузоподъемные платформы, большие поворотные устройства,
гидравлическая аппаратура, системы воздушного/водяного
охлаждения и т.д.
• источники электроснабжения
Системы электроснабжения переменного однофазного или
трехфазного тока с установленными напряжением, силой тока,
частотой или источники постоянного тока (должны быть установлены
общее число линий электропитания и допустимые мощности и
значения тока короткого замыкания). Следует отметить, что
при осуществлении сертификационных испытаний по Правилам
ФКС необходимо выполнить требования к источникам
электроснабжения, действующим в США
• программное обеспечение для управления процессом
испытаний
Требуется ли для проведения испытаний разработка
специального программного обеспечения, связывающего функционирование
испытательной установки и ИО?
• классификация безопасности
7. Набросок и детали испытательной установки, включая
• физические условия размещения и взаимное расположение ИО
и средств испытаний
Эти сведения приведены в общем виде в различных стандартах,
но, как правило, необходимо интерпретировать требования этих
стандартов применительно к характеристикам конкретного ИО.
Критическое значение имеют расстояние, ориентация и близость
к другим объектам, прежде всего к пластине заземления. Отчет об
окончательных испытаниях должен включать фотографию
испытательной установки.
• схемы электрических соединений
Расположение и прокладка кабелей имеют критическое
значение на высоких частотах и должны быть строго определены.
Следует также установить типы соединителей и кабелей,
подводимых к ИО (если отсутствие этих сведений может привести к
отрицательному результату испытаний).
8. Вид отчета об испытаниях, который должен быть
подготовлен
Отчет об испытаниях может быть различным: от
сертификата испытательной лаборатории, который просто указывает, что
ЭМС для разработчиков продукции 493
ИО соответствует (или не соответствует) установленным для
него требованиям, до подробного отчета об испытаниях, который
включает результаты всех испытаний и процедуры испытаний.
Большинство испытательных лабораторий Соединенного
Королевства представляют заказчикам отчеты об испытаниях,
соответствующие требованиям, установленным в стандартах Службы
аккредитации Соединенного Королевства (UKAS). Эти отчеты
включают основные результаты испытаний и информацию, не
содержащую подробностей о процедурах испытаний, проводимых
в лаборатории. При подтверждении соответствия требованиям
Директивы ЭМС вы должны знать, необходимо ли вам получить
сертификат соответствия требованиям стандартов ЕН или
отчет об испытаниях, который будет включен в состав
документации технического файла конструкции.
9. Порядок оценки результатов испытаний
• Расчет запаса помехоустойчивости и запаса помехоэмиссии
Важнейшей составной частью результатов испытаний
являются сведения об уровнях эмиссии электромагнитных помех от
ИО и об уровнях электромагнитных помех, при воздействии
которых наступает эффект восприимчивости ИО. Знание указанных
уровней позволяет определить величины запаса между уровнями
помехоэмиссии и помехоустойчивости и их предельно
допустимыми значениями, установленными для изделия. Необходимые
величины указанного запаса определяются известными
значениями неопределенности измерений и рабочими характеристиками
систем, в составе которых будут функционировать изделия.
Расчеты запаса помехоустойчивости и запаса помехоэмиссии важны
для интерпретации результатов испытаний
• Приемочные критерии
См. 9.3.4
• Как выполнять измерения в условиях внешних помех
При испытаниях на соответствие нормам радиочастотных
помех внешние сигналы, являющиеся элементами окружающей
электромагнитной обстановки, могут иметь достаточно
высокий уровень и маскировать помехи, создаваемые ИО. Некоторые
стандарты в области помехоэмиссии устанавливают процедуры,
которым необходимо следовать в указанном случае
494 Менеджмент в области ЭМС
9.3.3 Процедуры испытаний и калибровки
Если план испытаний подготовлен, процедуры, которым должен
следовать техник-испытатель, осуществляющий испытания в
области ЭМС, могут быть определены на основе указанного плана. С
другой стороны процедуры испытаний могут быть непосредственнс
включены в план испытаний в качестве его составной части. Необ
ходимыми элементами документации, относящейся к процедурам
испытаний являются:
• калибровка средств испытаний
В испытательных лабораториях, аккредитованных UKAS, вы
образцы средств испытаний регулярно проходят процедуру кали
бровки. При проведении испытаний в компании вам необходима
установить отдельные процедуры калибровки
• описание автоматизированных процедур испытаний
В типичном случае большинство процедур измерений осущест
вляется с использованием специального программного обеспечения
применяемого для управления такими функциями, как выбор пс
лос частот обзора и скорости перестройки частоты, установке
напряженности испытательного поля, выбор преобразователей
установление ширины полосы частот измерительного приемнике
и функций детекторов, а также управление антенной и положе
нием ИО на поворотном столе. Если применение указанного про
граммного обеспечения еще не стало рутинным, вы должны опреде
лить порядок его применения
• описание процедур испытаний при ручном управлении
Для тех элементов испытаний, которые не могут быть авто
матизированы, таких как осуществление оператором электро
статических разрядов, и для установки основных параметрое
каждого испытания
• перечень испытаний
Перечень испытаний, которые должны быть осуществлены
режимы функционирования ИО при каждом испытании и порядок
их проведения
9.3.4 Критерии качества функционирования при
испытаниях на помехоустойчивость
При проведении испытаний на помехоустойчивость необходимс
иметь возможность сделать обоснованный вывод о том, «проходит*
ли фактически ИО указанные испытания или не «проходит». Это i
свою очередь требует, чтобы было установлено минимально допу
ЭМС для разработчиков продукции 495
стимое качество функционирования, которое должно
обеспечиваться в период воздействия электромагнитных помех на ИО и после их
окончания. Естественно, что установление минимально
допустимого качества функционирования изделия возможно лишь на основе
его функциональных рабочих характеристик. Для того чтобы
облегчить установление для различных изделий указанного минимально
допустимого качества функционирования, в общих стандартах
помехоустойчивости [140] приведены руководящие принципы выбора
критериев, применяя которые можно судить о качестве
функционирования ИО при испытаниях на помехоустойчивость. Эти
руководящие принципы, указанные ниже, используются при
формулировании критерия качества функционирования конкретного изделия
при проведении конкретного испытания на помехоустойчивость.
Критерий качества функционирования А. Аппарат продолжает
функционировать в соответствии с назначением. Не допускается
ухудшение функционирования ниже минимальных пределов,
установленных изготовителем, или прекращение выполнения
установленной функции, если аппарат используется в соответствии
с назначением. В некоторых случаях минимальный уровень
рабочих характеристик аппарата может быть заменен допустимыми
потерями качества функционирования. Если минимальный уровень
рабочих характеристик аппарата или допустимые потери качества
функционирования не установлены изготовителем, указанные
данные могут быть определены либо на основе эксплуатационной и
технической документации на изделие (включая рекламные
брошюры и материалы), либо исходя из результатов применения, которых
пользователь вправе ожидать при использовании аппарата в
соответствии с назначением.
Критерий качества функционирования В. После прекращения
помехи аппарат должен функционировать в соответствии с
назначением. Не допускается ухудшение функционирования ниже
минимальных пределов, установленных изготовителем, или
прекращение выполнения установленной функции. В период воздействия
помехи допускается ухудшение функционирования. Вместе с тем
прекращение выполнения установленной функции или изменение
данных, хранимых в памяти аппарата, не допускаются. Если
минимальный уровень рабочих характеристик аппарата или допустимые
потери качества функционирования не установлены изготовителем,
указанные данные могут быть определены либо на основе
эксплуатационной и технической документации на изделие (включая
рекламные брошюры и материалы), либо исходя из результатов при-
496 Менеджмент в области ЭМС
менения, которых пользователь вправе ожидать при использовани
аппарата в соответствии с назначением.
Критерий качества функционирования С. Допускается времех
ное прекращение выполнения установленной функции при условш
что функция восстанавливается самостоятельно или может бьп
восстановлена с помощью операций управления.
9.4 Испытания для обеспечения качества при прс
изводстве
Управление процессом обеспечения ЭМС не прекращается поел
того, как изделие переходит из стадии разработки в стадию прои
водства. Директива ЭМС требует, чтобы изготовитель предприн*
«все необходимые меры» для того, чтобы поддерживать соответств1
каждого индивидуального образца продукции (см. раздел 1.2.5), i
не устанавливает, какими могут быть указанные меры.
Существует две причины, обусловливающие возможное отличз
характеристик ЭМС изделий при серийном производстве от этих >
характеристик изделия, подвергавшегося испытаниям. Одна из hi
заключается в том, что возможны различия состояния конструкщ
изделия в результате введенных изменений. Другая причина ев
зана с допусками при серийном производстве, относящимися кг
к электронным компонентам, так и к механическим элемента*
конструкции. Производственные допуски будут приводить к изм
нению уровней эмиссии от источников помех и восприимчивое!
рецепторов помех.
Строго говоря, для того чтобы быть полностью уверенным в toi
что эти допуски не привели к несоответствию изделий требования
ЭМС, вам следует осуществлять испытания в области ЭМС каждем
образца изделия после его изготовления. Однако во многих с луча?
это нереалистично. Более логичным выбором является введен!
системы испытаний образцов, отобранных в процессе производств
Испытания, применяемые для каждого отобранного образца, моп
либо в полном объеме соответствовать комплекту испытаний на а
ответствие, либо представлять собой упрощенные сравнительные и
пытания, относящиеся к ключевым параметрам, таким как уровв
помехоэмиссии или помехоустойчивости на определенных частоте
или на критических портах для подключения кабелей (что позвол.
ет избежать проведения испытаний, связанных с измерениями и
лучаемых помех или устойчивостью к электромагнитным полям
Затем результаты этих испытаний сравниваются с требованияк1
стандарта или с результатами испытаний «эталонного» образца, о
ЭМС для разработчиков продукции 497
носительно которого известно о его соответствии требованиям ЭМС
по результатам полного цикла испытаний.
Режим испытаний образцов
При организации испытаний образцов необходимо решить
вопрос о том, как часто следует испытывать отобранные образцы.
Сообщество специалистов ЭМС не предлагает в настоящее время
определенного ответа на этот вопрос. Одно из предлагаемых
решений заключается в проведении испытаний образцов только в тех
случаях, когда известно о внесенных конструктивных изменениях,
причем предполагается, что запас помехоустойчивости и запас
помехоэмиссии, которыми обладает конкретное изделие, учитывают
производственные допуски. Тем самым может быть создана система
«пунктов», связанных с изменениями характеристик ЭМС,
предоставляющая возможность внесения изменений в конструкцию при
производственном процессе. Каждому изменению конструкции при
этом ставится в соответствие определенное количество «пунктов»,
в зависимости от возможного влияния конструктивного изменения
на характеристики ЭМС изделия. Если в результате вносимых
конструктивных изменений общее количество пунктов, связанных с
изменениями характеристик ЭМС, превысит некоторое пороговое
число, изделие должно быть подвергнуто повторным испытаниям.
Естественно, что ключевым моментом в этой системе является
знание того, как сопоставить вносимые конструктивные изменения с
количеством «пунктов» и как принять решение о том, что следует
провести повторные испытания. Вероятно, что это решение должно
основываться, прежде всего, на предположениях, хотя опыт и
знания критических (с точки зрения ЭМС) элементов, полученные при
разработке изделия, могут усовершенствовать этот процесс.
Другой подход к этой проблеме основан на том, что период
времени между испытаниями образцов, отбираемых при серийном
производстве, должен устанавливаться в зависимости от значений
запаса помехоэмиссии и запаса помехоустойчивости, определенных
при первоначальных испытаниях изделия на соответствие. Чем
ближе измеренные уровни помехоэмиссии и помехоустойчивости
изделия к их предельно допустимым значениям, тем чаще следует
проводить испытания образцов, отобранных при серийном
производстве. Периодический отбор образцов и их испытания могут
привести к созданию базы данных, содержащей сведения о
статистическом распределении уровней помехоэмиссии и
помехоустойчивости изделий, использование которой может обеспечить высо-
498 Менеджмент в области ЭМС
кий уровень достоверности того, что изделие отвечает «правилу
80/80» (см. раздел 1.2.5.1). В этой связи необходимо отметить, что
именно обеспечение «правила 80/80» является одной из скрытых
функций лица, уполномоченного для подписи декларации о
соответствии (см. раздел 1.2.4.2). Декларация о соответствии должна
быть подписана работником достаточно высокого ранга, который
способен настоять на обязательной повторной верификации
продукции перед тем, как оно поступает для реализации (подпись под
декларацией о соответствии означает, что компания принимает на
себя обязательство о том, что каждое проданное изделие
соответствует требованиям Директивы ЭМС [115]).
Координатору по вопросам ЭМС или лицу, ответственному за
проведение испытаний, следует подготовить документ,
устанавливающий необходимость повторных испытаний в области ЭМС в течение
цикла производства изделия в зависимости от значений запаса по-
мехоэмиссии и запаса помехоустойчивости, определенных при
осуществлении первоначальных испытаний изделия на соответствие.
Этот документ, подписанный менеджером компании по
производству, должен входить в состав документации, относящейся к ЭМС,
являющейся частью технической документации, применяемой при
разработке нового изделия, и храниться вместе с декларацией о
соответствии.
ИСО9000
В компании, аккредитованной в соответствии со стандартами
серии ИСО 9000, могут быть установлены и документированы
процедуры, обеспечивающие поддержание соответствия продукции
требованиям ЭМС в процессе производства. Эти процедуры будут
зависеть от знания тех аспектов процесса производства, которые
важны для обеспечения ЭМС. В этой связи при обследовании компании
необходимо анализировать деятельность ее персонала в следующих
трех направлениях [27]:
• определение специалистами группы конструирования всех
имеющих критическое значение для обеспечения ЭМС
процессов, частей изделия, методов сборки и установки;
• маркирование этих частей и наличие четких указаний в
рабочих инструкциях, относящихся к методам сборки, установки
и к процессам производства, позволяющих сделать ясным для
всех сотрудников, имеющих отношение к производству, что
они имеют критическое значение. Установление процедур при*
ЭМС для разработчиков продукции 499
влечения специалистов по ЭМС, когда становятся
необходимыми изменения конструкции изделия в процессе производства;
• оптимизация уровней помехоэмиссии и помехоустойчивости
изделия для испытаний, проводимых в условиях компании с
тем, чтобы обнаружить на ранней стадии изменения
характеристик ЭМС изделия.
Каждое из этих направлений деятельности должно быть
отражено в процедурах, указанных в Руководстве по качеству компании.
Приложение А
Контрольный перечень вопросов
при проектировании
Достаточно много вопросов должно быть рассмотрено, когда
принимаются во внимание аспекты ЭМС при проектировании
аппаратуры, и здесь представлены наиболее важные из них. Этот
контрольный перечень только обозначает проблемы проектирования,
которые вы должны развить.
• Начальная стадия проектирования с учетом ЭМС; необходимо
знание требуемых характеристик.
• Разбиение системы на критические и не критические секции:
• выделение шумящих и чувствительных цепей,
• разнесение их в различные области, удаленные друг от друга
на максимально возможное расстояние,
• выбор внутренних и внешних точек интерфейса, которые
позволяют оптимальным образом управлять токами общего
вида.
• Выбор компонентов и цепей с учетом требований ЭМС:
• использование медленной и/или высокопомехозащищенной
логики; применение динамических границ для интерфейсов
передачи данных;
• использование эффективной техники развязки на
радиочастотах: развязывающие конденсаторы располагаются рядом
с соответствующими микросхемами, принимается во
внимание возможная установка последовательных R и L в шину
питания;
• уменьшение коэффициента разветвления по выходу для
цифровых схем путем широкого использования буферных
каскадов,
• минимизация частотной полосы сигнала и максимизация
его уровня,
• оценка стабильности в широкополосных усилителях,
• установка резистивных, ферритовых или емкостных
фильтров на все аналоговые входы,
• встраивание сторожевого таймера во все микропроцессоры.
• Проектирование печатных плат
ЭМС для разработчиков продукции 501
• гарантируйте полный возврат токов сигнала; при
необходимости используйте рязвязку для создания
предпочтительного пути тока,
• размещайте трассы с потенциальными помеховыми
сигналами дальше от чувствительных цепей; включайте в
конструкцию слой заземления,
• минимизируйте индуктивность заземления установкой
одного или нескольких земляных слоев; также включайте
слои питания, но не перекрывайте их,
• минимизируйте площади замкнутых контуров для больших
токов, высоких скоростей di/dt или чувствительных цепей,
• минимизируйте площадь поверхности узлов с высоким
значением dv/dt: не допускайте «плавающих»
металлизированных участков,
• минимизируйте длину трасс и выводов компонентов,
• устанавливайте фильтры в непосредственной близости с
соответствующими интерфейсами, критические цепи не
располагайте над краем слоя заземления.
• Кабели
• избегайте параллельного расположения сигнальных и
силовых кабелей,
• используйте сигнальные кабели и соединители с
правильными приемами экранирования,
• если возможно, используйте витую пару для балансного
включения или для линий с высоким значением di/dU
• располагайте кабели дальше от отверстий в экранах и ближе
к заземленным элементам конструкции,
• по возможности избегайте резонансных длин кабелей,
обдумайте применение ферритовых ограничителей для
демпфирования сигнала в кабеле,
• гарантируйте, что экран кабеля качественно подсоединен к
соединителю, избегайте «косичек»,
• согласуйте линии, несущие высокочастотные сигналы,
корректной нагрузкой.
• Заземление
• проектируйте систему заземления на возможно ранних
стадиях разработки продукции;
• систему заземления следует рассматривать как путь
возвратного тока, а не опорное напряжение 0 В;
502 Приложение А: Контрольный перечень вопросов при проектирование
• обеспечивайте надежное соединение экранов, соединителей
фильтров, кожухов и т.п.;
• цветовая маркировка должна отличаться от других прово
дящих областей;
• выполняйте земляные выводы короче и обращайте внима
ние на их геометрию;
• избегайте общих сопротивлений заземления;
• обеспечивайте область «чистой» земли для развязки все:
интерфейсов.
• Фильтрация
• оптимизируйте фильтр источника питания для различны:
приложений;
• фильтрацию всех линий входа/выхода осуществляйте одни»
или комбинацией конденсаторов для подсоединения к зазем
лению и нейтрализующий трансформатор общей моды;
• применяйте П-образный фильтр для входа питания постоян
ного тока на каждой плате;
• применяйте фильтрацию для источников возмущений, та
ких как коммутационные устройства и моторы;
• следует уделять внимание расположению компонента
фильтра и соответствующих проводов и трасс.
• Экранирование
• определите тип и размеры экрана, требуемые для представ
ляющего интерес диапазона частот;
• располагайте особо чувствительные цепи в особо качествен
ных экранах;
• избегайте больших или резонансных отверстий в экране или
принимайте меры для их избежания;
• следует гарантировать хорошее соединение швов различных
панелей.
• Тестирование и развитие техники обеспечения ЭМС так же
бесконечно, как и технический прогресс.
Приложение В
Системы автоматизации
проектирования для ЭМС
В.1. Обзор
Рассматривая книги по проектированию изделий с учетом ЭМС,
можно видеть, что не более нескольких страниц посвящается
важному вопросу автоматизации проектирования. Многие процессы
проектирования схем в настоящий момент автоматизированы и
воспроизводятся, что расширяет возможности поиска неточностей в
базовых проектных подходах на макетной стадии проектирования.
Весьма важной стадией в проектировании аппаратуры должны
быть средства САПР для прогнозирования эмиссии радиочастотных
помех и восприимчивости с достаточной для поставленных целей
точностью, опираясь на проектные параметры изделия. Это
позволит применить соответствующие технологии обеспечения ЭМС и
избежать дорогостоящих последующих доработок.
Причина, по которой этот раздел вынесен в приложение,
заключается в отсутствии подобных средств. Многие проблемы
специфической природы могут быть решены методами электромагнитного
анализа, который развивается многие годы, но они не адресованы
проектировщикам продукции. Несколько коллективов работают
над программным обеспечением, которое необходимо на рынке, и в
последующие несколько лет мы можем увидеть успешное внедрение
этих средств, но история не дает повода для оптимизма.
Трудностей на пути подобных разработок много, а именно:
• моделирование малого набора излучающих элементов
(обычно — сегментов тока) достаточно простая задача. Но при
увеличении числа п элементов, требуемая память растет
пропорционально п2, а процессорное время — п3, так, что ограничения
по быстродействию и объему памяти являются главными при
анализе размерности задачи;
• при увеличении частоты необходимо рассматривать элементы
все меньших размеров, что приведет к увеличению их числа.
Обычно расчетные методы работают в частотной области, и
поэтому расчеты должны повторяться на каждой частоте,
которая представляет интерес;
• печатные платы со слоем заземления успешно моделируются
проводящих пластин, которые упрощают структуру
Приложение В: Системы автоматизации проектирования для ЭМС
модели; без заземленных слоев плата не может быть легко
промоделирована;
• соединительные провода и кабели существенно влияют на
электромагнитные связи и должны моделироваться отдельно.
При этом результат будет далек от истины, если их трассировка
не соответствует конечному варианту. Подобные модели
печатных плат, полученные на ранних стадиях проектирования,
будут слабо соотноситься с реальностью;
• протекающие токи могут теоретически определяться из
моделей устройств и рассчитанных полных сопротивлений трасс
и цепей, но они существенно могут отличаться от реальных
цепей с реальными допусками. Например, амплитуды
гармоник высших порядков существенно зависят от фронта сигнала,
который является плохо определяемым параметром и зависит
от емкости цепи и ее протяженности.
Эти трудности относятся только к проблеме эмиссии помех.
Дополнительный набор факторов включается в игру, когда пытаются
моделировать устойчивость к помехам. Отдельно стоит проблема
помехоустойчивости интегральных схем, которая связана с общей
помехоустойчивостью. Имеются и другие проблемы, которые не
относятся к техническим проблемам электромагнитного
моделирования [91]:
• Аспекты ЭМС не имеют четкого разграничения с общими
задачами проектирования, лабораторных исследований схем,
компоновки и механики. Взаимосвязь между ними необходима
для распространения требований ЭМС в различных областях,
которые на первый взгляд не относятся к ЭМС.
• Для преодоления этой разобщенности САПР должна
интегрировать эти аспекты и решать задачи, входящие в них.
Несколько интегрированных САПР работоспособны, если между ними
обеспечивается автоматическая передача данных. Ручной
ввод — нереалистичен.
• Выходные данные по проектированию должны также бить
в форме удобной для использования и приемлемой для
различных специалистов-проектировщиков. Они должны быть
представлены максимально удобно на всех фазах процесса
проектирования. Может потребоваться определенный тренинг
пользователей, чтобы они могли правильно использовать
выходные данные.
ЭМС для разработчиков продукции 505
В.2. Моделирующие программные пакеты
Программные средства, которые пригодны для целей
электромагнитного моделирования, развивались для решения проблем
электромагнитных связей в хорошо описываемых ситуациях.
Любая задача ЭМС может быть представлена в терминах источника
помех, пути прохождения и рецептора («жертвы») помех. Структура
пути связи может включать как механизм излучения, так и кондук-
тивный, и это часто подлежит анализу, например, напряжение и ток
на интерфейсе аппаратуры является результатом связи аппаратуры
с внешним полем.
Типичным приложением может быть моделирование
поверхностных токов на фюзеляже самолета, который облучается плоским
электромагнитным полем, которые в свою очередь вызывают токи в
кабелях, расположенных внутри фюзеляжа.
Другой задачей является определение модели передачи
радиочастотной энергии, проходящей через экран, как линии передачи.
Методы, которые описывают электромагнитные модели в данном
случае, построены на одном или нескольких подходах: конечные
разности, метод моментов, модель линии передачи или метод
конечных элементов для непосредственного решения уравнения
Максвелла. Каждый из подходов имеет свои преимущества в особых
ситуациях. Например, метод моментов результативен при анализе
связи проводов, что подобно проектированию антенн, метод
конечных элементов или использование модели линии связи (TLM) более
применимы для задач с неоднородными средами и сложной
геометрией, таких как поверхностные токи на корпусе.
Для того чтобы проблема могла быть успешно решена с
возможным учетом резонансных явлений, необходимы аппроксимации
исходных данных. Для примера, связь в ближней зоне значительно
сложнее поддается анализу, чем в дальней, поскольку природа
источника существенно влияет на падающую волну. Размер отверстий
в экране является критическим фактором, поскольку при
относительно больших размерах отверстия (размер по сравнению с длиной
волны) внутренние и внешние области могут рассматриваться
совместно, тогда как моделирование проникновения поля через малое
отверстие может способствовать получению точного результата.
Основная трудность при применении этих моделей при
проектировании коммерческой продукции заключается в том, что они
развиты для совершенно иных объектов и целей. Большинство из них
родились для решения проблем ЭМС в военной технике. Это имеет
два последствия:
506 Приложение В: Системы автоматизации проектирования для ЭМС
• техническое; они предназначены для ситуаций, в которых все
четко определено: маршруты прокладки кабелей,
соединительные терминалы, механические конструкции и экранирующие
кожухи — все тщательно спроектировано и контролируется
вплоть до конечного продукта и его инсталляции. Это
контрастирует с коммерческой продукцией, для которой стоимость
является тем фактором, который делает невозможным
подобную тщательную проработку изделия. При этом параметры и
аппроксимации, которые должны будут сделаны, не отвечают
реальности;
• организационное; существуют трудности в проведении
моделирования. Только несколько программных пакетов (разработка
которых начиналась в научных департаментах университетов)
развиты до дружественного интерфейса. Значительный объем
входных данных, обычно в структурированной форме, должен
быть загружен и проверен перед запуском программы, а
выходные данные должны быть интерпретированы. Обычный
инженер, занимающийся проектированием аппаратуры, не
имеет времени и соответствующей квалификации для
выполнения этой работы — только компании, обладающие
соответствующими ресурсами и группой специалистов, могут успешно
справиться с подобной задачей.
Тем не менее эти программные пакеты могут найти применение
в задачах ЭМС, которые не непосредственно относятся к
проектированию изделий, а используются при анализе полей эмиссии при
тестировании: прогнозирование отражений и ослаблений в
экранированных камерах, прогнозирование эффекта близости между
антеннами и аппаратурой, а также прогнозирование ошибок
калибровки в том случае, если антенны используются в
экранированной камере [46].
В.З. САПР электронных схем
Некоторые пакеты САПР электронных схем и печатных плав-
всегда используют анализ линий связи для высокоскоростных
цифровых схем, принимая параметры трасс, вычисленные через
геометрические параметры линий и диэлектрические параметры
материалов. Расширение этих подходов для анализа плат с учетом
электромагнитной обстановки — как необходимо для
прогнозирования ЭМС — будет весьма сложным.
ЭМС для разработчиков продукции 507
Экспертные системы проектировщиков
В настоящее время доступны различные коммерческие
предложения. Один из типов является «советник правил проектирования
для проектировщика», который предлагается фирмой Zuken Redac
для его программного продукта проектирования печатных плат
Cadstar. Подобный продукт имеет фирма Cadence. «Советник
проектировщика» имеет на входе набор правил, таких как
допустимая площадь контура или расположение конденсаторов развязки,
которые поддерживаются программным продуктом, но могут быть
расширены собственными правилами. Особым преимуществом
подобных подходов является то, что они не ограничены задачами ЭМС;
другие правила проектирования, например, из сферы обеспечения
теплового режима или технологичности могут также быть
включены, и компромиссные решения между различными техническими
решениями могут быть получены быстро и автоматически.
Проектировщики схем должны предусматривать точки
контроля; правила должны быть индивидуально отобраны и взвешены.
Специалист, занимающийся трассировкой печатных плат, может
инициировать собственные правила проверки трассировки, и
правила обнаружения могут быть высвечены. Особенность работ в этом
направлении состоит в ограниченных экспертизах в области ЭМС,
которые необходимы для проектировщика, поскольку правила
действуют как форма «экспертной системы». Важно, что правила
становятся серьезно обоснованными и не строго систематизированы, так
что они заставляют развиваться для производства экономически
эффективной продукции. Техника не ограничивается рассмотрением
проблем прогнозирования ЭМС или расчетами в этой области.
Прогнозирование эмиссии
Отдельные программные пакеты доступны для прогнозирования
эмиссии, основанного на расчетах; примеры продаются фирмой
INCASES, Ansoft and Quantic. INCASES, выросшая из фирмы Siemens
Nixdorf и в настоящий момент интегрированная с фирмой Zuken
Redac, предлагает комплект программных продуктов,
включающих один, который будет анализировать структуры линий передач
в многослойных печатных платах со слоями заземления,
рассматриваемые как возвратные пути, с целью определения уровня
излучения в ближнем поле. Всегда имеется интерфейс для различных
пакетов трассировки по подготовке данных, и имеются доступные
макромодели для отдельных компонентов цепей.
508 Приложение В: Системы автоматизации проектирования для ЭМС
Другой подход состоит в объединении задач ЭМС с отдельными
задачами конструирования, которые могут быть автоматизированы,
особенно обеспечение теплового режима. Так, при определении
размеров и местоположения радиаторов и вентиляционных отверстий в
металлическом кожухе необходимо рассматривать требования ЭМС
и теплового режима. Фирма Flomerics, имеет в своем составе
отделение теплового проектирования и аналитический сектор и в
настоящее время расширяет свою деятельность в сторону симуляции ЭМС
на основе пакетов, использующих модели TLM. Они эффективны
для эмиссии излучаемых помех на резонансах и для отверстий в
кожухах.
В последнее время появляются программные продукты,
предназначенные для анализа аспектов ЭМС для аппаратуры в целом, но
радикальных решений нет [126].
Приложение С
Полезные таблицы и формулы
С.1 Децибелы
Децибел (дБ) представляет логарифм отношения двух значений. Это
безразмерная величина. Если берется отношение двух специальных
величин (Р2, V2 и /2), то это определяется суффиксом, а именно: дБмкВ
при отношении относительно 1 мкВ, дБм — относительно 1 мВт.
Суффикс
ДБВ
дБмВ
дБмкВ
дБВ/м
дБмкВ/м
Относится к
1 вольт
1 милливольт
1 микровольт
1 вольт на метр
1 микровольт на метр
Суффикс
ДВА
дБмкА
дБмкА/м
дБВт
дБм
дБмкВт
Относится к
1 ампер
1 микроампер
1 микроампер на
1 ватт
1 милливатт
1 микроватт
Действительный дБ зарождался как отношение мощностей и
задавался значением
aB=101og10(Pi/P2)
Мощность пропорциональна квадрату напряжения, поэтому
отношение напряжений или токов через постоянное сопротивление
дается в виде
дБ = 201og10(V,/V2) или 201og10(I^2)
Преобразование между напряжением в дБмкВ и мощностью в
дБм на заданном полном сопротивлении Z, Ом, задается в виде
К(дБмкВ) = 90+101g(£)+P(flBM)
дБмкВ относительно дБм для Z = 50 Ом
дБмкВ
-20
-10
0
5
7
10
15
го
мкВ
01
0 316
1.0
1778
2 239
3162
5.623
10 0
дБм
-127
-117
-107
-102
-100
-97
-92
-87
пВт
0 0002
0 002
0.02
0 063
01
02
0 632
20
дБмкВ
30
40
50
60
70
80
90
100
| 120
мкВ
0.03162
010
0 3162
10
3162
10 0
31.62
100 0
10V
дБм
-77
-67
-57
-47
-37
-27
-17
-7
+13
нВт
0 02
02
20
20 0
мкВт
02
20
20 0
200 0
20мВт
510
Приложение С: Полезные таблицы и формулы
Действительные значения напряжения, тока или мощности
могут быть определены как антилогарифм из значений в дБ:
F=lg-4flBB/20)B
Таблица соотношений
Р = lg-1 (дБВт/20) Вт
ДБ
-30
-20
-10
-6
-3
0^
1
2
3
4
5
6
7
8
I 9
10
Относительные
единицы
напряжения или тока
0 0316
01
0 3162
0 501
0 708
1.000
1 122
1259
1413
1 585
1778
1995
2 239
2 512
2 818
3 162
Относительные единицы
мощности
0 001
0 01
01
0 251
0 501
1.000
1259
1 586
1995
2 512
3162
3 981
5 012
6 310
7 943
10 000
1
90дБ
12
14
16
18
20
25
I 30
35
40
45
50
60
70
80
90
100
120
Относительные
единицы
напряжения или тока
3 981
5 012
6 310
7 943
mooo
17783
3162
56 23
100 0
177 8
316 2
1000
3162
10 000
31623
10s
106
Относительные
единицы
мощности
15 849
25120
39 811
63 096
100 00
316 2
1000
3162
10 000
31623
106
106
10'
10е
109
10">
1017
С.2 Антенны
Антенный фактор
AF=E-V
где AF — антенный фактор, дБ/м,
Е — напряженность электрического поля антенны, дБмкВ/м,
V — напряжение на входе антенны, дБмкВ.
Коэффициент усиления по отношению к антенному фактору
G = 20 log F - 29.79 - AF
где G — усиление относительно изотропной антенны, дБ,
А — частота, МГц,
AF — антенный фактор, дБ/м.
Диполи
ЭМС для разработчиков продукции 511
Усиление полуволнового диполя относительно изотропного
излучателя
G = 1.64 или 2.15 дБ
Входное сопротивление короткого диполя, длиной L [21]:
О < L < А/4: Rin = 20«тг2 • (ЬД)2 Ом А/4 < L < А/2: R.n =
24.7-(it2-LA)24 Ом
Коэффициент стоячей волны (VSWR)
Термином «коэффициент стоячей волны» определяется степень
рассогласования между линией передачи и ее источником или
нагрузкой. Он также определяет амплитуду стоячей волны, которая
устанавливается в линии как результат рассогласования.
VSWR К = (1+р)/(1-р) = (VZJ или (ZL/Z0) p = (К-1)/(К+1)
С.З Поля
Волновое сопротивление
Свободное пространство
е0)°5 = Et И = 377 Ом или 120тг,
|х0 — магнитная проницаемость свободного пространства = 4тг»10
7 Гн/м;
е0 — диэлектрическая проницаемость свободного пространства =
8,85-1012Ф/м.
Ближняя зона/дальняя зона
сКА/2тг — ближняя зона с?>А/2тг — дальняя зона
(см. рис. 5.9)
В ближней зоне волновое сопротивление среды выше или ниже
ZQ и зависит от типа источника. Высокое волновое сопротивление
характерно для электрического диполя, которое на частоте F на
расстоянии d определяется по формуле
|2| = 1/(2я/ s d).
Для магнитного контура низкое волновое сопротивление
определяется как
512 Приложение С: Полезные таблицы и формулы
Плотность потока мощности
Преобразование из напряженности поля в плотность потока
мощности для дальней зоны:
Р = Е2 /12007Г,
где Р — плотность мощности, мВт/см2,
Е — напряженность поля, В/м,
или для изотропной антенны
P = PTl4nR\
где R — расстояние в м от источника мощности Рт, Вт.
Напряженность поля
Для эквивалентной излученной мощности Рт напряженность
поля в свободном пространстве на расстоянии R от передатчика
составляет
E = (30PT)0S/R
или
(rfs/R, мВ/м,
где Рт задается в кВт, a R в км.
Распространение вблизи земли приводит к ослаблению более чем
в X/R раз. Для частот в диапазоне от 30 до 300 МГц и при расстоянии
более 30 м средняя напряженность поля изменяется как 1/Я", где п
варьируется от 1,3 для открытого пространства до 2,8 для плотно
застроенных городских территорий [136].
Напряженность поля от малых контуров или штыревых антенн
[12]
Для контуров в свободном пространстве площадью А, м2, которые
несут ток /, Ампер, на частоте f, Гц, электрическое поле на
расстоянии R м и при угле возвышения в определяется как
£ = 131,бШ"1в(/2 Al)/R$me, В/м.
Отражение от поверхности земли учитывается коэффициентом
(Х2) и при измерении на расстоянии 10 м при максимальном
значении:
= 26,3-10-16(/2-Л-/),В/м.
ЭМС для разработчиков продукции
513
диполь длиной dl,
несущий ток /
(контур площадью dA,
несущий ток ti
Короткий штырь длиной L («X./2) над поверхностью земли на
расстоянии i?, в котором протекает ток / общего вида, дает:
£ = 4я--1(Г7(/ L 1)1 R sine, В/т.
При максимальной ориентации на расстоянии 10 м:
£■ = 1,26 1(Г7(/ L-I), В/м.
Напряженность поля отрезонансов в кабеле [18]
Когда длина кабеля соизмерима или превосходит длину волны,
резонансы могут радикально изменить свойства помехоэмиссии
кабеля из-за возникновения пучностей напряжений и токов,
зависящих от соотношения L/\. Максимальная интенсивность поля
соответствует случаю, когда длина излучающего отрезка равна Х/2.
В этом случае напряженность поля (без учета влияния поверхности
»емли, поскольку это непредсказуемо) составляет:
Ee ={(60
\це Э — фазовая константа 2тгД.
Соотношение между напряженностью электрического и
магнитного поля
В дальней зоне напряженность электрического и магнитного по-
left находится в соотношении, определяющем волновое
сопротивление свободного пространства Za (377 Ом)
ЭЫММ1М7.
514 Приложение С: Полезные таблицы и формулы
Я(дБмкВ/м)=#(дБмкА/м)+51,5.
Напряженность Н может быть выражена в амперах на метр, тес
ла или гаусс:
1Гс=100мкТ=79,5А/м,
1 А/м=4тг-10-7Т.
Уравнения электромагнитного поля [9]
Следующие уравнения характеризуют Е и Н поля в точке Р о1
элементарного электрического диполя (нить тока) и элементарное
магнитного диполя (контур тока). В них использованы сферически
координаты, как показано ниже.
Для электрического диполя
Е=Mcos0
Ee =Idlsin0
H =
( я3
{2тсп>е0 Шг)2 (fir)3
Для магнитного диполя
{2*\(firf (/И*
Ha=IdAsme\£-
(firf (firf
{(fir) (Prff
В этих уравнениях
Э — фазовая константа 2тт/\,
о> — угловая частота / в рад/с,
г0 — диэлектрическая проницаемость свободного пространства,
г, в — координаты точки Р,
JEr, £в, Е^ — вектора электрического поля, В/м,
Hr, JEfe, Нф — вектора магнитного поля, А/м.
ЭМС для разработчиков продукции 515
Это уравнение показывает, что:
• Для $г«1 (ближняя зона) доминируют члены высокого
порядка с изменением Е пропорционально 1/г3 и изменением Н
пропорционально 1/г2 для электрического диполя и, наоборот, для
магнитного диполя. Коэффициенты 1/г2 соответствуют полю индукции.
• Для (Зг»1 (дальняя зона) радиальные составляющие (£г, Нг)
становятся пренебрежимо малы и поперечные
составляющие (6 и ф) формируют плоскую электромагнитную волну,
интенсивность которой изменяется пропорционально 1/г.
С.4 Экранирование
Глубина проникновения (толщина скин-слоя)
\ м.
Для проводников с относительной магнитной проницаемостью ц,г
и относительной проводимостью стг
(^г)Ч)>5, м.
Потери на отражение (R)
Значение потерь на отражение зависит от соотношения волнового
сопротивления барьера и электромагнитной волны, которое в свою
очередь зависит от расстояния до источника и типа поля —
электрическое или магнитное (в ближней зоне), или плоская
электромагнитная волна (в дальней зоне). Ниже приведены соответствующие
выражения для F в Гц, г в ми для ц,г и ст., как указано выше.
— плоская волна:
— электрическое поле:
RE =322-10!g((A,>JfV), дБ;
— магнитное поле:
RE =14,6-101g((//>r)Fr2), дБ.
Потери на поглощение (А)
где t толщина барьера, 8 — глубина скин-слоя.
17*
516
Приложение С: Полезные таблицы и формулы
Повторные отражения (В)
Значение В пренебрежимо мало до тех пор, пока
толщина t меньше толщины скин-слоя 8. Например, прр
t = Ъ получаем В = -0,53 дБ, а при t = 28 пoлyчae^
В = -0,03 дБ.
Значение В всегда имеет отрицательное значение, поскольку мно
гократные отражения ухудшают эффективность экранирования.
Эффективность экранирования (модель линии передачи)
(все входящие величины в дБ)
Свойства типичных проводников [15]
Материал
Серебро
Медь
Золото
Хром
Алюминий
Цинк
Олово
Никель
Сталь малоуглеродистая
Мю-металл
Относительная
проводимость (т (медь = 1)**
1,08
1,00
0,70
0,66
0,61
0,30
0,15
0,22
0,10
0,03
Относительная магнитная
проницаемость @ 1 кГц*ц,
1
1
1
1
1
1
1
50-60
300 - 600
20 000
* — относительная магнитная проницаемость приблизительно равна 1 на частотах
выше 1 МГц для большинства материалов,
** — абсолютная проводимость меди 5,8*107 мОм
С.5 Емкость, индуктивность и компоновка печатной плать
Емкость
Емкость между двумя пластинами площадью А см2, расположен
ных на расстоянии d см друг от друга в свободном пространстве:
С = 0,0885 -A/d, пФ.
Собственная емкость сферы радиусом г, см:
ЭМС для разработчиков продукции 517
= 1,1г, пФ.
Емкость на единицу длины между концентрическими
цилиндрами кругового сечения с внутренним радиусом г1 и внешним
радиусом г. в свободном пространстве:
С = 2л ■ О,0885 / In (r2 /г,), пФ/см.
Емкость на единицу длины между двумя проводниками
диаметром d, расположенными на расстоянии D друг от друга в свободном
пространстве:
С = к ■ 0,0885/cosh4 (D/d)> пФ/см.
Коэффициент 0,0885 в приведенных выше выражениях —
диэлектрическая проницаемость свободного пространства е0, являющаяся
диэлектрической постоянной, на которую следует умножать
относительную диэлектрическую проницаемость ег для других материалов
для получения абсолютной диэлектрической проницаемости.
Индуктивность [6]
Индуктивность прямолинейного проводника длиной I и
диаметром D:
1 = 0,002/(ln (4l/d)-0,75), МкГн,
где / и D задаются в см.
На практике принимают 20 нГн/дюйм (приближенно
0,8 мкГн/м).
Индуктивность обратного проводника кругового сечения длиной
I, см, и диаметром d, расположенного на расстоянии D от прямого
провода, для D/l«l:
L = 0,004/ (In {IDjd)-D/1 + 0,25), мкГн.
Взаимная индуктивность между двумя прямолинейными
проводниками длиной /, см, и расстоянием между ними Д для D/l«l:
М = 0,0021 ()n(2l/D)-l + D/l), мкГн.
518
Приложение С: Полезные таблицы и формулы
i
/YYYI
'out
2ZnitljLC
+10dB
оав :
-1O<JB
-2OdB
-3OdB
1
5 = 1.0*^
e±
>
.—*
^k
1Oo)n
Взаимная индуктивность между двумя проводниками,
расположенными на расстоянии D друг от друга и на высоте h над
плоскостью заземления, в которой протекают их обратные токи [94]:
M = 0,0011n(l+(2/i/D)2), мкГн/см.
Индуктивность одиночного провода диаметром d,
расположенного на высоте h над плоскостью заземления, которая несет
возвратный ток [94]:
L = 0,002 In (4/i/d), мкГн/см.
Время задержки распространения сигналов в проводниках
печатных плат и волновое сопротивление
w
Поверхностная микрополосковая линия
т — ч
Zo =
0»687 » НС/М
, +l,4l)-ln[5,98A/(0,8w+/)], Ом.
ЭМС для разработчиков продукции
519
Для h = 1,6 мм, w = 0,3 мм и t«w волновое сопротивление микро-
полоской линии Zo = 132 Ом.
Внутренняя полосковая ли^тия
) 1п[4б/(0,67/г(0,8и>+/))], Ом.
Для материала основания печатной платы из стеклотекстолита
FR4 типичное значение относительной диэлектрической
проницаемости г составляет 4,5, что определяет время распространения
0,63 для малых tr Д
трапецеидальный
40дБ/декада
кусочно-линейная аппроксимация огибающей амплитуд гармоник
сигнала Tpd , равное 5,53 нс/м для поверхностной микрополосковой
линии и 7 нс/м для внутренней полосковой линии.
Для параметров внутренней полосковой линии Ь = 1,4 мм,
w = 0,3 мм и t« w получаем ZQ = 68 Ом.
Когда линия нагружена на некоторое устройство, его емкость
изменяет время задержки распространения сигнала и ZQ следующим
образом
где CD распределенная емкость нагрузки на единицу длины
проводника, т.е. общая емкость подключенного устройства, разделенная
на длину печатного проводника, и Со собственно емкость
проводника, рассчитанная из выражения:
Со =
, пФ/длина.
520
Приложение С: Полезные таблицы и формулы
Распределенная связь [20]
Для двухпроводной линии связь с плоской электромагнитной
волной определяется следующими параметрами:
s — длина линии, м; Ъ — вертикальное расстояние между
проводниками, м; a — диаметр провода, м; Zx — полное сопротивление
источника, Ом; Z2 — волновое сопротивление линии, зависящее от
ее геометрии: ZQ = 276 lg(2b/a);
Р = 2ттД — фазовая постоянная
элементарн
|интервал t
периодически спектральное разрешение At
ый повторяющаяся
форма
j\ Л
\
0 время (число отсчетов) N-1
J L "свернутый" спектр
О N/2-1 N-t
частота (число гармоник)
«Функция знаменателя» D
Для различных условий распространения волн получены три
уравнения (изменяющееся значение X представляет коэффициент
связи, V/E> со стороны нагрузки):
(a) Вектор Е вертикален, распространение нормально к линии
X = Z2 b/D(Z0{\-cosPs) + ZJsinPs).
(b) Вектор Е вертикален, распространение вдоль линии
X = Z2-(b{Z0-Zl)/2D)((l-cos2ps)+jsm2ps).
(c) Вектор Е горизонтален, распространение нормально к линии
ЭМС для разработчиков продукции 521
С.6 Фильтры
Низкочастотный фильтр второго порядка [118]
Коэффициент затухания £ описывает как вносимые потери на
частоте среза, так и частотный отклик фильтра. Он зависит от полного
сопротивления нагрузки, и нижние значения могут находиться в
области частоты среза.
Для проектирования низкочастотного LC-фильтра,
построенного по типичной схеме (см. рис. 8.22) фильтра источника питания,
может быть рекомендована следующая процедура проектирования.
Она охватывает как компоненты для дифференциального, так и
для общего вида, помня, что последние являются симметричными
относительно земли и поэтому могут быть рассмотрены как две
раздельные цепи.
1. Определить требуемую частоту среза <оп: фильтр второго
порядка обеспечивают склон характеристики за частотой среза
40 дБ/декада, так что желаемое ослабление на высокой частоте
F будет связано с частотой среза как:
2.Определить сопротивление нагрузки Zout и желаемый
коэффициент затухания £. Значение £ между 0,7 и 1,0 обычно
принимается, если Zout выбрано разумно. Значения £ значительно
большие, чем 1, будут вызывать непомерно большое ослабление на
низких частотах, а если они будут значительно меньше 0,7, то
это приведет к существенной неравномерности характеристик
ослабления.
З.Из этих данных рассчитывают значения компонентов:
L = 2Zmu CK
4. Отмеченные процедуры повторяются итерационно для
получения стандартных значений компонентов.
Вносимые потери фильтра по отношению к полному
сопротивлению
Стандартный фильтр имеет всегда резистивное сопротивление,
близкое к 50 Ом. Это нежелательный фактор для согласования
реальных цепей. Однако если известно реальное полное сопротивление
522 Приложение С: Полезные таблицы и формулы
цепи и оно также резистивное, то можно рассчитать изменение
вносимых потерь относительно варианта с 50 Ом. Во-первых, определим
передаточное сопротивление ZT фильтра:
ZT=25{wtilg(ILdB/20)~l},
где IX dB вносимые потери при 50 Ом.
Теперь определяем вносимые потери из-за разницы резистивные
сопротивлений Zs (источника) ZL (нагрузки)
Наличие реактивности в источнике или нагрузке изменяют
свойства согласования, и это равенство не может быть применено.
С.7 Ряд Фурье
Для симметричного трапецеидального импульса, с фронтом tr,
периодом следования Т и амплитудой от пика до пика /, ток
гармонической составляющей п определяется соотношением:
Обобщенная форма ряда Фурье
/(/) = 0,54)+Х(Лс°зюд>+Я>по>„')-
л=1
где коэффициенты Ап и Вп:
4.=| J /(О008»-"*»
-Г/2
Г/2
-Г/2
Сигнал произвольной формы может быть проанализирован
подобным образом в дискретные интервалы времени. Это
преобразование известно как дискретное преобразование Фурье (ДПФ). При
этом непрерывное интегрирование, как показано выше, заменяется
конечным взвешенным суммированием:
ЛГ-l
#)
ЭМС для разработчиков продукции 523
Здесь ось времени представлена как (n/N), где N — общее число
отсчетов и х(п) значение л-го отсчета. Частотную ось представляет
т и ДПФ рассчитывает А(т) и В(т) для каждой дискретной
частоты от т = 0 (постоянный ток) до т = {N/2) — 1.
Спектральное разрешение t в частотной области есть величина,
обратная общему времени отсчетов 1/Nt, которое эквивалентно
периоду сигнала во временной области. Основная частота
соответствует т = 1, вторая гармоника — т = 2 и т.д. Картина спектра
свертывается около точки т = N/2, и поэтому максимальное число гармоник,
которое может быть проанализировано, составляет половину числа
временных отсчетов на основной частоте, или l/2t.
Для решения задач ЭМС коэффициенты А(0) и В(0) обычно не
представляют интереса (они соответствуют постоянному току), так
же как и фазовые соотношения, которые описывают сдвиг фаз
между действительными и мнимыми компонентами arg(A(m)+jB(m)).
Значение квадрата амплитуды:
\X(m)f =\A(m)f+\B(m)f
представляет мощность т-й гармоники. Для расчета Х(т) для ряда
отсчетов х(п) во временной области нетрудно написать программу.
Приложение D
Страны Европейского союза и Европейского
экономического пространства
D.1. Европейский союз
Основан в соответствии с Римским договором 1957 г.
• = члены-учредители
• = присоединенные с 1 января 1995 г.
• Австрия #
• Бельгия *
• Германия *
• Дания
• Испания
• Финляндия #
• Франция *
• Греция
• Ирландия
• Италия*
• Люксембург *
• Нидерланды *
• Португалия
• Швеция #
• Великобритания
Просьбы о членстве были получены от нескольких других
восточноевропейских стран.
D.2. Европейское экономическое пространство
Страны, указанные выше, плюс:
• Норвегия
• Исландия
• Лихтенштейн
Глоссарий
АСВ Association of Competent Bodies (Europe) — Европейская
ассоциация компетентных органов
AM Amplitude modulation — амплитудная модуляция
ANSI American National Standards Institute — Американский
национальный институт стандартов
ASIC Application Specific Integrated Circuit — интегральные схемы
специального применения
ВВС British Broadcasting Corporation — Британская
радиовещательная корпорация (Би-би-си)
BCI Bulk current injection — инжекция тока в кабель
CAD Computer aided design — автоматизация проектирования
СВ Citizen's band — гражданский диапазон
CCTV Closed circuit television — кабельное телевидение
CDN Coupling/decoupling network — устройство связи/развязки
CEN European Committee for Standardization — Европейский
комитет по стандартизации
CENELEC European Committee for Electrotechnical Standardization —
Европейский комитет по стандартизации в области
электротехники
CISPR International Special Committee for Radio Interference —
Международный специальный комитет по радиопомехам (СИСПР)
CMR Common mode rejection — подавление помех общего вида
DTI Department of Trade and Industry — Департамент торговли и
промышленности
ЕС European Commission — Европейская комиссия
ЕЕА European Economic Area — Европейское экономическое
пространство
EED Electro-explosive device — электровзрывное устройство
EEPROM Electrically erasable programmable read-only memory —
постоянное запоминающее устройство с электрическим стиранием
информации
EMC Electromagnetic compatibility — электромагнитная
совместимость
EMCTLA EMC Test Laboratories Association (UK) — Ассоциация
испытательных лабораторий ЭМС (Соединенное Королевство)
EMI Electromagnetic interference — электромагнитная помеха
(влияние помехи)
EMR Electromagnetic radiation — электромагнитное излучение.
526 Глоссарий
ЕОТС European Organization for Testing and Certification —
Европейская организация по испытаниям и сертификации
ESD Electrostatic discharge — электростатический разряд
ETSI European Telecommunications Standards Institute —
Европейский институт телекоммуникационных стандартов
EU European Union — Европейский союз
EUT Equipment under test — испытуемое оборудование
FCC Federal Communications Commission (US) — Федеральная
комиссия связи (США)
FEXT Far end crosstalk — перекрестные помехи на дальнем конце
GTEM Gigahertz ТЕМ cell — гигагерцевая ТЕМ-камера
HF High frequency — высокая частота
I/O Input/output — ввод/вывод
IEC International Electrotechnical Commission — Международная
электротехническая комиссия
IEEE-488 IEEE standard for data communications between test instruments
IEEE-488 — стандарт для передачи данных между контрольно-
измерительными приборами
IF Intermediate frequency — промежуточная частота
ISDN Integrated Services Digital Network — цифровая сеть с
интеграцией служб
ISM Industrial, scientific and medical — промышленное, научное и
медицинское (оборудование)
ISN Impedance stabilization network — эквивалент сети
ITE Information technology equipment — оборудование
информационных технологий
ITU International Telecommunications Union — Международный
союз электросвязи
LCL Longitudinal Conversion Loss — затухание продольного
перехода
LF Low frequency — низкая частота
LISN Line impedance stabilizing network — линейный эквивалент
сети
MF Medium frequency — средняя частота
MS Mains signaling — передача сигналов по электрической сети
NEXT Near end crosstalk — перекрестная помеха на ближнем конце
NRPB National Radiological Protection Board — Национальное
отделение радиологической защиты
OATS Open area test site — открытая испытательная площадка
OJEC Official Journal of the European Communities — Официальный
журнал Европейских сообществ
PC Personal computer — персональный компьютер
PCB Printed circuit board — печатная плата
PFC Power factor correction — коррекция коэффициента мощности
PRF Pulse repetition frequency — частота повторения импульсов
ЭМС для разработчиков продукции 527
RAM Random access memory (also RF absorbent material) —
оперативное запоминающее устройство (также — радиочастотный
поглощающий материал)
RF Radio frequency — радиочастота
RFI Radio frequency interference — высокочастотная помеха
(влияние помехи)
RMS Root mean square — средыеквадратический
ROM Read only memory — постоянное запоминающее устройство
SI Statutory Instrument (also Systeme Internationale) —
законодательный документ (также — Международная система)
SMPS Switched mode power supply — импульсный источник питания
SMT Surface mount technology — технология монтажа на
поверхность
STI Surface transfer impedance — поверхностное передаточное
полное сопротивление
ТСВ Telecommunications Certification Body (US) — Орган
сертификации телекоммуникационного оборудования
ТЕМ Transverse electromagnetic mode — поперечная
электромагнитная волна
THD Total harmonic distortion — суммарное значение коэффициента
нелинейных искажений
ТТЕ Telecommunications terminal equipment — оконечное
телекоммуникационное оборудование
UART Universal asynchronous receiver/transmitter — универсальный
асинхронный приемник/передатчик
UKAS United Kingdom Accreditation Service — Служба аккредитации
Соединенного Королевства
VDE Verband Deutscher Elektrotechniker (Association of German
Electrical Engineers) — Ассоциация инженеров-электриков
Германии
VDR Voltage dependent resistor — нелинейный резистор
VDU Visual display unit — дисплей
VLSI Very large scale integration — сверхбольшая степень
интеграции
VSWR Voltage standing wave ratio — коэффициент стоячей волны
ZVEI Zentralverband der Elektrotechnischen Industrie (Germany) —
Союз электротехнической промышленности (Германия)
Библиография
книги
1. Радиовещательные передающие станции Би-би-си, 1991. Телевизионные
передающие станции Би-би-си, 1990
Сведения о сооружениях Би-би-си, Уайт-Сити, Лондон.
2. Справочник по теоремам Фурье
Д.С. Чемпни, Кембридский университет, 1987.
3. Введение в прикладной электромагнетизм
X. Христопулос, Ноттингемский университет, Вилей, 1990.
4. Дискретные преобразования Фурье и их применения
В. Читек, А. Хильгер, 1986.
5. Электромагнитная совместимость
Дж. Голдблод, Принс-Холл, 1992, ISBN 0-13-249293-8.
6. Вычисления индуктивности
Ф. Гровер, Ван Ностранд, Нью-Йорк, 1946.
7. Прикладной электромагнетизм
В. Хейт, Мак Гроу-Хилл, 5-е изд., 1988.
8. Руководство по Директиве ЭМС
К. Маршман, ЕРА press, 2-е изд., 1995, ISBN 0-9517362-7-2.
9. Справочная книга электронного инженера
Ф. Мазда, Баттерворт, 5-е изд., 1983.
10. Методы и средства заземления и экранирования
Р. Моррисон.З-е изд., Вилей, 1986.
11. Справочная книга по логическим схемам на базе усовершенствованных
КМОП-структур
National Semiconductors, 1990.
12. Методы снижения помех в электронных системах
Г. Отт, 2-е изд., Вилей, 1988.
13 Введение в электромагнитную совместимость
К. Поль, ВилеЙ, 1992, ISBN 0-471-54927-4.
14. Прикладной электромагнетизм
М. Плонус, Мак Гроу-Хилл, 1978.
15. Руководство конструктора по выбору и применению экранирующих
материалов для защиты от электромагнитных помех
TECKNIT EMI Shielding Products, 1991.
16. Приложение к ТТЛ. Справочная книга. Т. 2. Усовершенствованные диоды
Шоттки
Texas Instruments, 1984.
Примечание. Библиографические сведения приведены в порядке, установленном
автором
ЭМС для разработчиков продукции 529
17. Элеитромагн итная совместимость в силовой электронике
Л.Ткхяхи, Внттерворт Хейнеманн, 1995, ISBN 0-7506-2379-9.
18. Экранирование кабелей для обеспечения электромагнитной совместимости
А. Цалиович, Ван Ностранд Рейнольд (Чепмен & Холл), 1955, ISBN 0-442-
01425-2.
10. Математические методы в электронном конструировании
Т. CmMOPi Кембриджский университет, 1986.
20. Смп внешних электромагнитных полей с передающими линиями
A. СМЯТ, IBM, Вилей, 1977.
21. Теория я конструирование антенн
B. Штучник, Г. Тиле, Вилей, 1981.
22. Электромагнитные экранирующие материалы и их эффективность
Д. Уайт. Don White Consultants Inc, 2-е изд., 1980.
23. Спутник разработчика схем
Т. Уилльямс, Баттерворт Хейнеман, 1991.
24. ЭМС для систем и установок
Т. Уилльямс, К. Армстронг, Ньюнес, 2000.
Статьи
25. Калибровка антенн для испытаний в области ЭМС и конструкция антенны
свободного пространства
М. Александер, Британская конференция по электромагнитным измерениям
7 — 9 ноября 1089 г., Национальная физическая лаборатория, Теддингтон,
1989.
26. Неопределенности, связанные с применением антенны при измерениях
эмиссии в экранированных помещениях
М. Александер, Коллоквиум IEE «Испытания в области ЭМС в
экранированных помещениях» 11 апреля 1995 г., Национальная физическая лаборатория.
Сборник материалов коллоквиума, 1995/074.
27. Процедуры обеспечения ЭМС в обстановке по стандарту BS 5750
К. Армстронг, Труды конференции Евро-ЭМС, Сендаун, Соединенное
Королевство, 4 — 6 октября 1994.
28. Электромагнитная совместимость в Европе
Д. Бейкер, Британский институт стандартов, IEE Proceedings — Science,
Measurement & Technology, т. 141, № 4, июль 1994, с. 238 — 243.
29. Новый метод снижения резонансов затухания площадки при испытаниях в
экранированных полубезэховых камерах
Б. Беккер, X. Пьюс, VII Международная конференция IEE по ЭМС, Йорк, 28
— 31 августа 1990 г., с. 119 — 124.
30. Повышение устойчивости микропроцессорного оборудования к сетевым
переходным помехам
C. Барлоу, IEE коллоквиум «Электромагнитные помехи и конструирование
систем, основанных на микропроцессорах, с учетом требований ЭМС»,
Лондон, 1990.
530 Библиография
31. Долговременное обследование шумовой электромагнитной обстановки в
Швейцарии
Д. Бауман, Г. Берман, X. Гарбе, Федеральная служба окружающей среды /
ЭМС, Баден, XX Международный симпозиум по ЭМС, Цюрих, 9 — 11 марта
1993 г.
32. Большая рамочная антенна для измерений магнитных полей
Д. Бергервет, X. Ван-Вин, XIII Международный симпозиум по ЭМС, Цюрих,
март 1987 г.
33. Измерения в области ЭМС и модели взаимосвязи системного уровня с
модульным уровнем
Д. Бергервет, Журнал исследований фирмы Филипс, т. 48, № 1 — 2, январь
1994 г. (специальный выпуск по ЭМС), с. 63 — 81.
34. Выполнение Директивы ЭМС в Соединенном Королевстве
А. Бонд, Департамент торговли и промышленности, ЭМС 91 — Путь к
соответствию, Конференция ERA Technology, Хитроу, февраль 1991 г.
35. Экранирование и защита с использованием гальванически покрытых
пластиков
Р. Брандер, П. Кузик, Р. Беллемар, Enthone-OME, Технологии ЭМС, июль/
август 1990 г., с. 37 — 40.
36. Популяризация ЭМС в больших организациях
Т. Бракстон, AT&T Bell Labs, IEEE 1988 Международный симпозиум по ЭМС,
Сиэттл, август 1988 г.
37. Концепции защиты в телекоммуникационном оборудовании
A. Бремонд, SGS-Thomson Microelectronics AN 579/0393. Справочник по
защитным устройствам STM, 2-е изд., март 1993 г.
38. Электромагнитная совместимость строительных кабелей
К. Бромли, Труды IEE — А, т. 141, № 4, июль 1994 г., (специальный выпуск по
ЭМС), с. 263 — 265.
39. Ограничение скорости сканирования при автоматизированных измерениях
электромагнитных помех
Е. Броно, ЕМСО, IERE У Международный симпозиум по ЭМС, Йорк, 1986.
40. Характеристики гигагерцевой ТЕМ-камеры при измерениях излучаемой по-
мехоэмиссии
Е. Броно, Д. Осборн, ЕМСО, IEEE 1991 Международный симпозиум по ЭМС,
Черри Хилл, Нью-Йорк, август 1991 г.
41. Простой способ оценки эффективности экранирования, обеспечиваемого
малыми кожухами
Д. Буш, IBM, VIII симпозиум по ЭМС, Цюрих, 5—7 марта 1989 г.
42. Стандарты необходимы каждому
И. Кэмпбелл, Британский институт стандартов, Новости IEE, 3 октября
1991 г., с. 14.
43. Конструирование с учетом требований ЭМС при использовании
микропроцессоров с КМОП-структурами с высокой плотностью компоновки
М. Кавтервуд, Пояснение к заявке фирмы «Моторола» AN 1050,1989.
44. Уменьшение связи в витых парах
B. Кети, Р. Кейт, Martin Marietta, Международный симпозиум по ЭМС, IEEE,
Боулдер, август 1981 г.
ЭМС для разработчиков продукции 531
45. Обзор переходных помех и средств их подавления
С. Черняк, Пояснение к заявке фирмы «Моторола» AN 843,1982.
46. Численное моделирование в ЭМС
X. Христопулос, Ноттингемский университет, Международный журнал
по численному моделированию (специальный выпуск), т. 4, № 3, сентябрь
1991 г.
47. Благоприятное окружение
X. Христопулос, Д. Доусон, Журнал IEE, ноябрь 2000 г., с. 29 — 32.
48. Обеспечение низкой эмиссии радиочастотных помех с применением
микропроцессора Р83СЕ654
М. Конен и др., Пояснение к заявке фирмы Philips Semiconductors EIE/
AN92001, апрель 1992 г.
49. Испытание на устойчивость к ЭСР — везение или здравый смысл?
М. Конен, Philips, ЭМС в Европе 2000, IV Европейский симпозиум по ЭМС,
Брюгге, 11 — 15 сентября 2000 г., с. 41 — 46.
50. Методы ЭМС для программного обеспечения микропроцессоров
Д. Каулсон, DIRAK Ltd, ЭМС для малого бизнеса 1998, Материалы
коллоквиума IEE 1988/420, 24 апреля 1998 г.
51. Раскрытие тайн витых пар
Р. Коуделл, Международный симпозиум по ЭМС, IEEE, Сан-Диего, 9 — 11
октября 1979 г.
52. Анализ индуктивности фильтров общего вида
Л. Крейн, С. Сребраниг, Бюллетень фирмы Coilcraft, 1985.
53. Конструирование для обеспечения соответствия
Д. Кертис, Curtis-Strauss LLC, Международное соответствие продукции,
январь — февраль, май — июнь, ноябрь — декабрь 1998 г.
54. Получите надежную синхронизацию — использование тактовых
генераторов с распределенным спектром
Д. Кертис, Curtis-Strauss LLC, Международное соответствие продукции,
январь — февраль 1999 г., с. 15 — 22.
55. ЭМС печатных монтажных плат
B. Данкер, XI Международный симпозиум по ЭМС, Цюрих, март 1995 г.,
консультационное приложение.
56. Альтернативный метод подавления резонансов в экранированных
помещениях в полосе частот 30 — 200 МГц
Л. Доусон, А. Марвин, Йоркский университет, VI Международная
конференция IEE по ЭМС, Йорк, 1988.
57. Помехи от подвижных средств радиосвязи
Electronic Times, 23 октября 2000 г., с. 47.
58. Эффективный с затратной точки зрения путь обеспечения
электромагнитной совместимости
C. Эттлес, British Telecom, ЭМС 90 — Достижение совместимости, ERA
Technology Conference Proceedings 90-0089, июль 1990 г.
59. Cuk: the best SMPS?
Т. Финнеган, Electronics & Wireless World, январь 1991 г., с. 69 — 72.
532 Библиографи
60. Обсуждение ЭМС систем в сооружениях
Ф. Финни, GPT, Конференция общества аудиоинженеров, Лондон, 19 марг
1991 г.
61. Обеспечение ЭМС при производстве
М. Фитцпатрик и др, Compaq, ЭМС 92 — Проектируйте Ваши изделия с учете
требований ЭМС, ERA Technology Conference Proceedings, 92-0011, Хитроу,
— 13 февраля 1992 г.
62. Проверка распределения Е-поля в гигагерцевой ТЕМ-камере MESSELEKT]
ONIK 1750
С. Фетчер и др., Национальная физическая лаборатория, Доклад СЕТМ — ]
Теддингтон, март 2000 г.
63. Концепция гигагерцевой ТЕМ-камеры: применение нового испытательно
оборудования для измерений излучаемых помех и восприимчивости
X. Гарбе, Д. Хансен, ABB, VII Международная конференция IEE по ЭМ
Йорк, 28 — 31 августа 1990 г., с. 152 — 156.
64. Использование заземленной сетки для уменьшения излучения от печати)
платы
Р. Герман, IBM, VI Симпозиум по ЭМС, Цюрих, 5 — 7 марта 1985 г.
65. Влияние зеркальной плоскости на излучение от печатных плат
Р. Герман, X. Отт, С. Поль, ШЕЕ Симпозиум по ЭМС-1990, Вашингтон, 21 —
августа 1990 г., с. 284 — 291.
66. Новшества в конструировании касаются помех в логических схемах
КМОП-структурами с высокой плотностью компоновки
М. Гильберт, Материалы заявки фирмы National Semiconductor AN — 69
1990 г.
67. Переходные процессы в низковольтных электрических сетях
Д. Годблод, Philips, IEEE Transaction on Electromagnetic Compatibility, т. EN
— 29, № 2, май 1987 г., с. 104 — 115.
68. Характеристики переходных помех и наведенных непрерывных колебав
в абонентских телефонных линиях
Д. Годблод, В. Пасмуи, Philips, VII Международная конференция IEE по ЭМ<
Йорк, 28 — 31 августа 1990 г., с. 211 — 218.
69. Прогресс в стандартизации процедур калибровки антенн СИСПР
Д. Годблод, Philips, XII Международный симпозиум по ЭМС, Цюрих, 7 —
марта 1995 г.
70. Электромагнитная совместимость телекоммуникационного оборудования
Л. Грин, Radiocommunication agency, IEEE Proceedings — Science, Measuren
ent & Technology, т. 141, № 4 , июль 1994 г., с. 244 — 247.
71. Простая установка для испытаний на устойчивость к радиочастотным ш
мехам
П. Гронвельд, А. Де Лонг, Philips, II Симпозиум IEEE по ЭМС, Монтре, 2
— 30 июня 1977 г., с. 233 — 239.
72. Широкополосная альтернативная ЭМС испытательная камера, основанна
на концепции объединения ТЕМ-камеры и безэховой камеры
Д. Хансен и др., ABB, Международный симпозиум IEEE по ЭМС-1989, Наго*
Япония, 8 — 10 сентября 1989 г., с. 233 — 239.
73. Патент США № 5.488.627
К. Харден и др., Lexmark, 30 января 1996 г.
ЭМС для разработчиков продукции 533
74. Измерения эмиссии излучаемых помех в экранированных помещения^
Ф. Ховард, С. Викенден, DRA Aquila, Коллоквиум IEE «Испытания в омаети
ЭМС в экранированных помещениях», 11 апреля 1995 г., IEE Digest 1998/074.
75. ЭМС общественных электрических сетей £
Г. Хенсман, Electricity Council, ЭМС 89 — Конструирование изделий с увиюм
требований электромагнитной совместимости, ERA Technology Seminar
Proceedings 89-0001. ('
76. Испытания на соответствие требованиям стандарта МЭК/ЕН 61000-4-6
Материалы заявки фирмы Hewlett Packard 1319, июль 1999 г.
77. Методы измерения сетевых гармоник
Г. Хикс, ERA Technology, Коллоквиум IEE «Однофазные электрические сети;
регулирование гармоник — методы и средства», 27 марта 1991 г., IEE Digegfc
1991/071.
78. Каким образом коммутационные устройства создают электрический шум
И. Ховелл, General Electric, IEEE Transaction on Electromagnetic
Compatibility, т. EMC -21, № 8, ав-густ 1979 г., с. 162 — 170.
79. Руководство пользователя по установке и обеспечению ЭМС
IMO Precision Control, март 1994 г.
80. Обзор методов измерения в области ЭМС
Г. Джексон, ERA Technology, Electronic & Communication Engineering
Journal, март / апрель 1989 г., с. 61 — 70.
81. О конструкции и применении детектора средних значений при измерениях
помех
B. Дженнингс, X. Кван, DTI, V Международная конференция по ЭМС, Йорк,
1986, Публикация 71.
82. Обеспечение совместимости при межблоковой проводке
Д. Джонс, Portsmouth Poly, VI Симпозиум по ЭМС, Цюрих, 5 — 7 марта
1985 г.
83. Координация стандартов в области ЭМС и важность участия в работах по
стандартизации
Р. Кей, МЭК, VII Международная конференция IEE по ЭМС, Йорк, 28 — 81
августа 1990 г., с. 1 — 6.
84. Юридические аспекты Директивы ЭМС
Д. Кутчелл, DTI, ЭМС 89 — Конструирование изделий с учетом требований
электромагнитной совместимости, ERA Technology Seminar Proceedings 89-
0001, 7 февраля 1989 г.
85. Магнитное поле одножильных силовых кабелей — Руководство
конструктора по учету воздействия помех
Б. Кнокс, М. Коутс, ERA Technology, Доклад 99-0166R, май 1999 г.
86. Измерения средних значений с использованием анализатора спектра
C. Лунквитц, Hewlett Paccard, Испытания и конструирование в области ЭМС,
май/июнь 1991 г., с. 34 — 38.
87. Влияние границ пластины заземления на затухание открытой испытатель-
нойц площадки
Д. Маас, Д. Хулихэн, IBM, Национальный симпозиум IEEE no ЭМС — 1989,
Денвер, май 1989 г.
534 Библиография
88. Антенный кабель как источник ошибок при измерениях помех
Д.Де Маринис, DEC, Международный симпозиум по ЭМС, ШЕЕ, Вашингтон, 2
— 4 августа 1988 г.
89. Как получить наилучшие результаты с использованием открытой
испытательной площадки
Д.Де Маринис, DEC, VIII Симпозиум по ЭМС, Цюрих, март 1989 г.
90. Удобный метод испытаний на помехоустойчивость путем инжекции тока
Р. Маршалл, Protech, VII Международная конференция IEE по ЭМС, Йорк, 28
— 31 августа 1990 г., с. 173 — 176.
91. Автоматизированное проектирование для снижения радиочастотных
помех
А. Марвин и др., Йоркский университет, VII Международная конференция
IEE по ЭМС, Йорк, 28 — 31 августа 1990 г.
92. Управление электромагнитными помехами с использованием
твердотельной технологии
И. Маккун, Б. Гедьен, Compliance Engineering, европейское издание, июль/
август 1995 г., с. 21 — 23.
93. FACET — моделирование эффектов ЭМС в печатных платах и интегральных
схемах
Р. Мильсон, Philips, Дискуссионное совещание IEE по применению пакетов
программ расчета электромагнитных полей для решения проблем ЭМС в
промышленности, Лондон, 15 октября 1991 г.
94. Связь между открытыми и экранированными проводными линиями над
пластиной заземления
P. Mop, IEEE Transaction on Electromagnetic Compatibility, т. EMC — 9, № 2,
сентябрь 1967 г., Приложение 1.
95. ТК 77 МЭК: «Организация Объединенных Наций» для ЭМС
Р. Мор, Секретариат ТК 77 МЭК, ЭМС в Европе 2000, IV Европейский
симпозиум по ЭМС, Брюгге, 11 — 15 сентября 2000 г.
96. Эффекты линии передачи при использовании печатных плат
Motorola, Материалы заявки AN 1051,1990.
97. Методология структурированного проектирования для управления
характеристиками ЭМС
У. Нильссон, EMC services AB, VII Международная конференция IEE по ЭМС,
Йорк, 28 — 31 августа 1990 г.
98. Заземление — путь возвратного тока
X. Отт, Bell Labs, Международный симпозиум по ЭМС, IEEE, Сан-Диего, 9
— 11 октября 1979 г.
99. Заземление и межсоединения цифровых схем »
X. Отт, Bell Labs, Международный симпозиум по ЭМС, IEEE, Боулдер, август
1981 г.
100. Контроль электромагнитных помех путем соответствующей компоновки
печатных плат
X. Отт, Bell Labs, VI Симпозиум по ЭМС, Цюрих, 5 — 7 марта 1985 г.
101. Плоские экранированные кабели для снижения электромагнитных помех и
обеспечения устойчивости к электростатическим разрядам
С. Палнгрен, ЗМ, Международный симпозиум по ЭМС, IEEE, Боулдер, август
1981 г.
ЭМС для разработчиков продукции 535
02. Высокочастотные последовательные резонансы в системах
электроснабжения — обзор методов проектирования
Р. Рател, Р. Адер, Unitrode ST-A2, Справочник, 1985 г.
03. Сравнение измерений помехоэмиссии в гигагерцевых ТЕМ-камерах с
измерениями на открытых испытательных площадках и в полубезэховых
камерах
С. Портер и др., Йоркский университет, IX Международная конференция IEE
по ЭМС, Манчестер, 5 — 7 сентября 1994 г.
04. Влияние «косичек» на переходные помехи в кабелях, экранированных
методом оплетки
С. Поль, Университет Кентукки, IEEE Transaction on Electromagnetic
Compatibility, т. EMC -22, № 3, август 1980 г.
05. Диагностика и уменьшение эмиссии кондуктивных помех
С. Поль, К. Харден, IBM, Международный симпозиум по ЭМС, Вашингтон,
2—4 августа 1988 г.
06. Сравнение вкладов токов общего и дифференциального вида в излучаемую
помехоэмиссию
С. Поль, Университет Кентукки, IEEE Transaction on Electromagnetic
Compatibility, т. EMC -31, № 2, май 1989 г.
07. Испытания на устойчивость к излучаемым и инжектированным помехам:
когда они эквивалентны?
Д. Перини, Сиракузский университет, X Международный симпозиум по ЭМС,
Цюрих, 9 — 11 марта 1993 г., с. 343 — 348;
а также Испытания на устойчивость к излучаемым и
инжектированным помехам: когда они эквивалентны? — Ч. 2
Д.Перини, Сиракузский университет, XI Международный симпозиум по ЭМС,
Цюрих, 7 — 9 марта 1995 г., с. 231 — 235.
08. Влияние трехслойной структуры на электромагнитные помехи
С. Раду и др., UMR, Международный симпозиум IEEE по ЭМС, Денвер, 24
— 28 августа 1998 г., с. 828 — 833.
09. Подход к введению Директивы ЭМС в Германии — проблемы и перспективы
Д. Рамес, ВРТ, ЭМС 91 — Путь к соответствию, ERA Technology conference,
Лондон, февраль 1991 г.
10. Экранирование пластиковых кожухов
И. Ранкин, PERA, Помехоподавляющие элементы, фильтры и экранирование
для обеспечения ЭМС, ERA Technology Seminar Proceedings 86-006.
11. Восприимчивость к излучаемым помехам коммерческого цифрового
оборудования
В. Роудс, Xerox, Международный симпозиум IEEE по ЭМС, Вашингтон, август
1983 г.
J.2. Испытательное оборудование, соответствующее новым стандартам
устойчивости к импульсным электромагнитным помехам
П. Ричмен, Keitec, Международный симпозиум IEEE по ЭМС, август 1992 г.
13. Неопределенность измерений в области ЭМС
М. Робинсон, British Telecom, Британская конференция по электромагнитным
иам#р0ииям — 1980, Национальная физическая лаборатория, Теддингтон, 7
— 9 ноября 1080 г.
536 Библиография
114. Эффективность экранирования прямоугольных оболочек с прямоугольной
апертурой
М. Робинсон и др., Йоркский университет, Electronic Letters, 15 август?
1996 г., т. 32, № 17, с. 1559 — 1560.
Этот материал также опубликован в более детальной форме в: Аналитически!
выражения для эффективности экранирования оболочек с апертурами М
Робинсон и др., Йоркский университет, IEEE Transaction on Electromagnets
Compatibility, т. 40, № 3, август 1998 г., с. 240 — 248.
115. Поддержание соответствия требованиям Директивы ЭМС в процессе произ
водства
С. Скотт & Д. Имерсон, IBM UK, ЭМС 93 — Обеспечение ЭМС в течение всегс
жизненного цикла, ERA Technology Conference Proceedings 93-0013, Хитроу
18 февраля 1993 г.
116. Электронные медицинские изделия и электромагнитные помехи
Д. Сильберберг, CDRH, Compliance Engineering, европейское издание, Еже
годное справочное руководство, 1995.
117. Стандартный метод определения коэффициента антенны на площадке
А. Смит, IBM, IEEE Transaction on Electromagnetic Compatibility, т. ЭМС — 24
№3, август 1982 г.
118. Руководство по проектированию фильтров общего вида
С. Сребраниг, Л. Крейн, Coilcraft, Информационный бюллетень фирмы Coilcr
aft, 1985 г.
119. Конструирование в учетом требований устойчивости к электростатически»
разрядам
Д. Стагс, Dell Computer Corp., XII Симпозиум по ЭМС, Цюрих, март 1989 г.
120. Этика внутри корпоративных структур
Д. Стагс, ЕМСО, Международный симпозиум IEEE по ЭМС — 1990, Вашинг
тон, август 1990 г.
121. Ускорение измерений напряженности поля радиочастотных помех путем
использования поглощающих клещей MDS для предварительного
сканирования
М. Стечер, Rohde & Schwarz, Новости R & S, № 147,1995/1.
122. Общие стандарты
Р. Сторрс, Televerket, ЭМС 91 — Путь к соответствию, ERA Technology
Conference, Лондон, февраль 1991.
123. Развитие общих стандартов
Р. Сторрс, Telia Recearch, everket, , IEEE Proceedings — Science, Measurement
& Technology, т. 141, № 4 , июль 1994 г., с. 249 — 251.
124. Демодуляция радиочастотных помех в инвертирующих и неинвертирукрцих
опрерационных усилителях
У. Суту, Д. Вален, SUNU, VI Симпозиум по ЭМС, Цюрих, март 1985 г.
125. Управление эмиссией излучаемых помех, восприимчивостью и перекрест*
ными помехами в печатных платах со слоем заземления
А. Свейнсон, Torn EMI Electronics, VII Международная конференция IEEE no
ЭМС, Йорк, 28 — 31 августа 1990, с. 37 — 41.
126. Обеспечение ЭМС электронных цифровых устройств
С. Таскер, Cadence, Electronic Engineering, сентябрь 1994 г., с. 51 — 52.
ЭМС для разработчиков продукции 537
127. Характеристика эффективности экранирования кожухов со встроенным
оборудованием
Д. Томас и др., Ноттингемский университет, Вилей, Йоркская конференция
ЭМС — 1999,12 — 13 июля 1999 г., Публикации конференции, с. 89 — 94.
128. Оценка восприимчивости СБИС к радиочастотным помехам
Д. Тронт, IX Симпозиум по ЭМС, Цюрих, март 1991 г.
129. Философия проектирования заземления
П. Ван дер Лаан, М. Ван Хоутен, V Международная конференция по ЭМС,
Йорк, 1986 г.
130. Наличие стандартов
М. Вролик, Nederlandse Philips Bedrijven BV, ЭМС 91 — Путь к соответствию,
ERA Technology, февраль 1991 г.
131. Выявление помех в микроэлектронике — обзор последнего десятилетня
Д. Вален, SUNU, VI Симпозиум по ЭМС, Цюрих, март 1985 г.
132. Практические испытания продукции на эмиссию помех: золотые изделия
Т. Уилльямс, Elmac Services, Конференция ЕВРО — ЭМС 1992, Сатдаут,
Соединенное Королевство, 6 — 8 октября 1992 г.
133. Были ли у вас непрятности из-за испытаний на эмиссию кондуктявных
помех?
Т. Уилльямс, Elmac Services, Approval, ноябрь — декабрь 1996 г., с. 34 — 87.
134. Моделирование измерений эмиссии помех на открытых испытатедымх
площадках на основании данных, получаемых в новых широкополосны»
ТЕМ-камерах
П. Вильсон, Д. Хансен, Д. Кенигштайн, ABB, Международный симпозиум
IEEE по ЭМС-1989, Денвер, май 1989 г.
135. Развитие принципов конструирования с учетом требований ЭМС источников
питания, работающих в коммутационном режиме, — примеры и
исследованные случаи
М. Виннер, Schrac Elertronik AG, V Международная конференция IEE по ЭМС,
Йорк, 1986, Публикации конференции 71.
Официальные публикации и стандарты
Европейские стандарты, могут быть получены в Соединенном
Королевстве по адресу:
Британский институт стандартов,
Служба заказов стандартов
389 Chiswick High Road
London W4 4AL
UK
Tel 0208 996 9001, Fax 0208 996 7001
Для получения более детальных сведений о стандартах см. также
главу 2
136. ЕН 65011:1998 (3-е изд.) Нормы и методы измерений характеристик
радиопомех от промышленных, научных и медицинских (ПНМ) радиочастотных
устройств.
538
Библиография
fSL^5022^1"8 (3"в ИЗд) Н°РМЫ и методы измерений характеристик радио-
138 Ehsoors0 Д°ВаИИЯ ииФ°РмаЧионнмх технологий.
тпеб Оборудование для передачи сигналов по электрическим сетям:
реоования к обеспечению связи, допускаемым уровням помех и методам
измерений.
. ЕН 50081: Электромагнитная совместимость — общий стандарт помехоэмис-
сии*
140. ЕН 50082: Электромагнитная совместимость — общий стандарт
помехоустойчивости.
• ЕН 50173: 1996 Информационные технологии. Общие системы прокладки
кабелей.
142. ETC 300127:1994 Техника разработки оборудования: Испытания физически
ИХ систем на эмиссик> излучаемых помех.
143. ЕН 50147-1:1997 Безэховые камеры. Измерение эффективности
экранирования.
144. ЕН 50147-2: 1997 Безэховые камеры. Пригодность альтернативной
испытательной площадки в отношении затухания площадки.
145. Проект ЕН 50147-3:1999 Основополагающий стандарт ЭМС. Помехоэмиссия.
Измерения помехоэмиссни в полностью безэховых камерах.
Стандарты МЭК, могут быть получены в Британском институте
стандартов, как указано выше, или непосредственно по адресу:
МЭК, Центральный офис
1 Rue de Varembe
1211 Ceneva 20
Switzerland
http://www.iec.ch
146. МЭК 50 (161): (BS 4727: Часть 1: Группа 09) Глоссарий терминов по
электротехнике, электроснабжению, телекоммуникациям, электронике, освещению
и цвету. Электромагнитная совместимость. МЭК 61000: Электромагнитная
совместимость (см. также таблицу 2.3),
147. МЭК 61000, часть 2, раздел 1 (1990) Описание электромагнитной обстановки
— Электромагнитная обстановка для низкочастотных кондуктивных помех
и сигналов, передаваемых в общественных системах электроснабжения.
Стандарт эквивалентен BS 7484:1991.
148. МЭК 61000, часть 2, раздел 2 (1990) Уровни электромагнитной
совместимости для низкочастотных кондуктивных помех и сигналов, передаваемых в
общественных системах электроснабжения. Стандарт эквивалентен DD EN V
61000-2-2:1993 с определенными изменениями, внесенными СЕНЕЛЕК.
149. МЭК 61000, часть 5, раздел 2 (1997) Руководства по установке и помехоподав-
ленню — заземление и прокладка кабелей.
150. МЭК 61000, часть 5, раздел 7 (1997) Степени защиты от электромагнитных
помех, обеспечиваемые оболочками (ЕМ — код).
151. СИСПР XX — см. выше ЕН 550ХХ.
152. СИСПР 16-1:1999 Требования к измерениям радиопомех и
помехоустойчивости. Часть 1: Приборы для измерения радиопомех и помехоустойчивости.
153. СИСПР 23: Определение норм для промышленного, научного и
медицинского оборудования.
154. СИСПР / А / 256 / CD (СИСПР 16-3 Al f 1, Издание 1.0) Расчет нвопредвленяо-
сти измерений при определении соответствия норме. Документ распростра-
■ЭМС для разработчиков продукции 539
нен в декабре 1999 г., см. также СИСПР / А / 272 / CD и СИСПР / А / 273 / CD
(май 2000 г.).
L55. СИСПР / А / 259 / CD (СИСПР 16-2 А2, Издание 1.0) Измерения помехоэмис-
сии в присутствии внешних сигналов. Документ распространен в феврале
2000 г.
Другие британские стандарты
156. BS 1597: Нормы и методы измерения электромагнитных помех,
создаваемых морским оборудованием и установками.
157. BS 5049-1, -2. -3: (СИСПР 18-1, -2, -3) Характеристики радиопомех от
воздушных линий электропередач и высоковольтного оборудования.
L58. BS 6656: Руководство по предотвращению непреднамеренного возгорания
легковоспламеняющихся газообразных сред при воздействии
радиочастотного излучения.
159. BS 6657: Руководство по предотвращению непреднамеренного
инициирования электровзрывных устройств при воздействии радиочастотного
излучения.
160. BS 7027: Нормы и методы измерения устойчивости морского электрического
и электронного оборудования к кондуктивным и излучаемым
электромагнитным помехам.
161. BS 7697:1993 (HD 472 S1) Номинальные напряжения в низковольтных
общественных системах электроснабжения.
Директивы ЭМС
162. Директива Совета от 3 мая 1989 г. о согласовании законодательных актов
государств-участников, касающихся электромагнитной совместимости (89/
336/ЕЕС)
Официальный журнал Европейских сообществ № L 139,23 мая 1989 г.
163. Директива Совета 92/31/ЕЕС от 28 апреля 1992 г., вносящая изменения в
Директиву 89/336/ЕЕС
Официальный журнал Европейских сообществ № L126/11,12 мая 1992 г.
164 Общий рынок: «новый подход» к технической гармонизации и стандартам
Департамент торговли и промышленности, июнь 1989 г.
165. Руководство по выполнению директив, основанных на новом подходе и
глобальном подходе
Европейская комиссия, Брюссель, 2000 г.
166. Руководящие принципы по применению Директивы Совета 89/336/ЕЕС
Европейская комиссия, Боюссель, май 1997 г.
167. Решение Совета от 13 декабря 1990 г., касающееся модулей для различных
фаз процедур оценки соответствия, которые предназначены для
применения в технически гармонизированных директивах (90/683/ЕЕС)
Официальный журнал Европейских сообществ № L 380/13, 31 декабря
1990 г.
168. Директива Совета 93/68/ЕЕС от 22 июля 1993 г., вносящая изменения в
различные директивы
Официальный журнал Европейских сообществ JMJ L 220/1,30 августа 1993 г.
169. Информация Европейской комиссии ■ рамках выполнения Директивы
Совета 89/ЗЗв/ЕЕС (Публикация наименований и справочных данных,
относящихся к гармонизированным стандартам, применяемым с Директивой).
Официальный журнал Европейских сообществ М С 869,14 декабря 2000 г., с.
8 — 17 (гго последняя версия ■ период работы над книгой. Укаваияый пар*-
540 Библиография
чень часто уточняется и может быть получен на веб-сайте Комиссии, http:
//europa.eu.int).
170. Предписания по электромагнитной совместимости
Государственный акт 1992 г. № 2372,28 октября 1992 т.
Предписания по электромагнитной совместимости (Изменение 1994 г.)
Государственный акт 1994 г. № 3080,30 декабря 1994 г.
171. Электромагнитная совместимость. Руководящий документ по подготовке
Технического файла конструкции, предусмотренного Директивой Совета ЕС
89/336
Департамент торговли и промышленности, октябрь 1992 г.
Различные официальные публикации
172. Вопросы, касающиеся несимметрии линий передачи относительно земли
Рекомендации МСЭ-Т, G.117, Международный союз электросвязи, февраль
1996 г.
173. Трактовка неопределенности при измерениях в области ЭМС
Информационный документ Службы аккредитации Соединенного
Королевства (UKAS) NIS 81, UKAS, Фельтам, май 1994 г.
174. Заявление Совета об ограничении воздействия на человека статических и
переменных электромагнитных полей и радиации
Документы Национального совета по радиологической защите (НСРЗ), т. 4,
№, 5 ,1993 г., НСРЗ, 1993.
175. Руководство по ограничению воздействия переменных электрических,
магнитных и электромагнитных полей (полоса частот до 300 ГГц)
Международная комиссия по защите от неионизирующих излучений
(МКЗНИ), Физика здравоохранения, т. 74, № 4, с. 494 — 522, апрель 1998 г.
Публикации США
176. Методы измерения эмиссии радиопомех от низковольтного электрического и
электронного оборудования в полосе частот от 9 кГц до 40 ГГц.
ANSI C63.4— 1988.
177. Руководство по конструкции открытой испытательной площадки для
выполнения измерений излучаемой помехоэмиссии.
ANSI C63.7 —1988.
177. Практические рекомендации IEEE в отношении напряжений импульсных
помех в низковольтных электрических сетях переменного тока.
IEEE C62.41-1991, октябрь 1991 г.